基于全波去嵌法的三维层叠结构射频元器件联合建模技术研究

The system-in-package (SIP) and system-on-package (SOP) technologies, where 3D stacking plays a crucial role, are of great significance in the miniaturization of RF front-ends. However, accurate circuit simulations are very difficult to achieved in 3D-stacking architecture, since existing modeling techniques for circuit components are of low accuracy in this case. A recently proposed method for RF measurment, the full-wave de-embedding method,can improve the modeling techniques and help to find a solution to this problem. Based on the above consideration, this project will study the fundamentals, error analysis and error control of the full-wave de-embedding method, and apply the results to the case of 3D stacking. Further, a novel co-modeling technique will be proposed based on the full-wave de-embedding method, and its principle will be studied in depth and verified through experiments. Finally, fully functional RF front-ends based on SIP or SOP technologies will be designed and simulated, using the component models obtained by the co-modeling technique. Experiments of the front-ends will be also carried out in order to proof the effectiveness of the proposed co-modeling technique in 3D stacking architecture.

SIP（系统级封装）和SOP（封装上的系统）技术对射频前端的小型化具有重要意义，三维层叠在其中起到了关键作用。然而，三维层叠中的电路仿真却是一个颇具挑战性的难题，需要从改进元器件建模方法的角度出发寻找解决途径。近年来提出的全波去嵌法提供了一个很好的思路，基于全波去嵌法的建模技术具有独特优势，有望成为解决问题的突破口。基于以上考虑，本项目首先研究全波去嵌法的基本特性及其误差分析与误差控制方法，为将该方法拓展到三维层叠等新领域奠定坚实的理论基础。在此基础上，基于全波去嵌法和经典的模型提取方法，提出一种新的联合建模技术，深入研究其原理并进行实验验证。最后，利用联合建模技术获得射频元器件模型，并基于SIP或SOP设计完整的射频前端，通过实验验证联合建模技术应用于三维层叠电路仿真的有效性。

SIP （系统级封装）与SOP（封装上的系统）技术 对射频前端小型化具有重要意义，三维层叠在其中起到了关键作用。然而，三维层叠下的电路仿真却是一个颇具挑战性的难题，需要从改进元器件建模方法的角度出发寻找解决途径。本项目基于近年来提出的全波去嵌法，研究了基于全波去嵌法的联合建模技术，实现了对三维层叠结构的联合建模。本项目首先研究了全波去嵌法的基本特性及其误差分析与误差控制方法，通过向量化处理简化了去嵌方程的数学处理方法，并由此得出了全波去嵌法的误差模型和最小二乘去嵌解，为将该方法拓展到三维层叠等新领域奠定坚实的理论基础。其次深入研究了全波去嵌方法，提出了三种改进方法：多夹具全波去嵌法、混合全波去嵌法和T去嵌法，提高了去嵌精度，并拓宽了其适用带宽，尤其是大幅度改善了高频段的去嵌性能，为准确提取射频器件的电路模型和参数提供了有力的技术支撑。针对三维层叠结构，研究了基于全波去嵌的场路协同仿真技术，解决了元器件端口定义方式与夹具形式选择等关键问题，并据此提出了联合建模技术在此特殊环境下的实现方法，通过三维层叠中的典型结构和简单元器件，对联合建模技术进行了原理验证。最后基于联合建模技术设计了Ku和X波段射频接收机、C波段高速切换射频开关和X波段可重构射频网络等射频电路和子系统，通过实验验证了联合建模技术应用于三维层叠电路仿真的有效性。尤其是Ku波段LNA无调试情况下测试结果与仿真结果高度一致，充分体现了联合建模技术的实际应用价值，为瓦片式相控阵等复杂射频系统的设计打下了良好的基础。本项目为解决射频封装中的关键科学问题提供了一个很好的思路，有助于改变高端射频器件、模块受制于人的被动局面，为我国电子、通信和军工行业新时期的发展提供坚实的科学基础。