CN1298113C - 单片直接变换式收发信机及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一单片直接变换式收发信机，该单片直接变换式收发信机包括一在其上装有混频单元电路和本地振荡器电路的基片，在基片上的混频单元和本地振荡器之间形成的开有预定宽度和深度的一正极孔，其里面填满一能够传导从混频单元和本地振荡器泄漏的信号的塞子，一形成于基片上的遮蔽地表面，其用于阻断当从天线接收到的信号输入到混频器及从本地振荡器输出参考信号到混频器时产生的泄漏信号，一形成于遮蔽地表面的第一互连，将混频器和本地振荡器连接起来；和一介电层，其叠加在基片和遮蔽地表面之间，在遮蔽地表面上以覆盖第一互连，并且是单片的。

Description

单片直接变换式收发信机及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种直接变换式收发信机，尤其涉及一种能够减少直流偏置的直接变换式收发信机。

背景技术

尽管与早期阶段的发展相比，现有的便携式无线终端的大小，功耗和价格都明显的减低了，但是仍然需要减少目前便携式无线终端的大小，功耗和价格来制造更好质量的便携式无线终端。

直接变换式设计是一种不采用镜频滤除滤波器(image rejection filter)的结构。正因为在直接变换式结构中所用元件数量的减少，便携式无线终端的整体大小和功耗也因此而降低了。

然而，为了将这样一种直接变换式结构应用到便携式无线终端中，则应当解决在混频时产生直流偏置的问题。然而，从实际信号中将直流偏置区别出来是很困难的，并且该直流偏置使装备在混频器下一级的放大器出现饱和。

为了解决直流偏置问题，已经建议过多种方法，并且正在开发一种新的方法。图1和2分别展示了目前方法的一个例子和其另一个例子。

参考图1，从天线10接收的信号被一第一放大器12放大，并通过第一和第二混频器14和16与由本地振荡器34产生的一参考信号进行混频。在此过程中，载波信号从接收的信号中被去掉。当从第一和第二混频器14和16中输出的并且将载波信号去掉的信号通过第一和第二低通滤波器(LPF)18和20时，高频成分从信号中被滤除。从第一和第二LPF18和20中输出的信号被第二和第三放大器26和30放大。参考数字36表示一个移相器，它将把本地振荡器34产生的参考信号的相移动90度。

同时，如图3所示，由于基片耦合和连线耦合，当一参考信号cosW_LOt从本地振荡器(图中没有示出)被输入到第一混频器14时会产生振荡器泄露信号50。除此之外，如图4所示，由于基片耦合和连线耦合，当从天线10接收的信号被第一放大器12放大时将产生强的干扰泄露信号52。泄露信号与由本地振荡器产生的一参考信号进行自混频，例如，等式1所示，因此产生直流偏置。

${\cos w}_{\mathrm{LO}}t\×{\cos w}_{\mathrm{LO}}t=\frac{1+{\cos 2w}_{\mathrm{LO}}t}{2}---\left(1\right)$

相应于等式1中的1/2的直流偏置能使装备在第一混频器14下一级的第二放大器26饱和。除此之外，当由天线10辐射的信号被反射，然后又被接收时，直流偏置信号就变的不规则了，然后很难从实际的接收信号中区别出直流偏置信号。

为了消除这些直流偏置信号，图1所示的现有技术给出了在第一LPF18和第二放大器26之间的一第一电容器22，和在第二LPF20和第三放大器30之间的一第二电容器。

然而，现有技术中第一和第二电容器22和24的容量很大，并且，为了充放电，额外的接地线28和32也是必需的。这样，电路的尺寸增加了，而且也限制了在时分多址(TDMA，time division multiple access)中的应用。

图2示出了在日本专利待审案No.HE3-220823中公开的一种传统直接变换式接收机。图2给出了一种通过负反馈回路来消除上述直流偏置的方法，该负反馈回路包括设置在一第二放大器26和一数据处理电路44之间的一第一模数转换器(A/D)40；放置在一第三放大器30和一数据处理电路44之间的第二A/D42；设置在一第一混频器14和一数据处理电路44之间的一第一数模转换器(D/A)46，用来将从数据处理电路44输出的预定数字信号转换为一模拟信号，并反馈给第一混频器14；和一第二D/A转换器48，置于一第二混频器16和数据处理电路44之间，用来将预定的数字信号转换为模拟信号并反馈给第二混频器16。然而，采用闭合的环路，一环路的收敛时间是有限的。这样，正如在便携式无线终端中，将这种直接变换式接收机用于具有短时隙的设备中是很困难的。

此外，美国专利No.6175728公开了一能够实时消除直流偏置电压的开关的直接变换式接收机。然而，由于还需要开关时间，因此也限制了这种直接变换式接收机在时分多址(TDMA)中的应用，并增大了电路尺寸。

发明内容

本发明给出了一具有能够消除直流偏置的内置单元的单片直接变换式收发信机。本发明也给出了一制造所述单片直接变换式收发信机的方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种单片直接变换式收发信机，包括一混频单元，其包括一用来放大从天线接收到的信号的第一放大器和一用来通过一预定的输入参考信号来消除从第一放大器输出的信号中载波信号的混频器；一低通滤波器，用来滤除从所述混频器输出信号中的高频成分；和一个第二放大器，用来放大从所述低通滤波器输出信号；一本地振荡器，用来给所述混频器提供参考信号；该单片直接变换式收发信机还包括：一基片，其上面设有混频单元和本地振荡器，以构成电路；在基片中的混频单元和本地振荡器之间形成的一正极孔，其具有预定宽度和深度，并在其中填满阻止混频器和本地振荡器辐射的泄漏信号的导电塞；第一介电层，叠层在基片上；一遮蔽地表面，形成于第一介电层上面，并用于阻断当由天线接收的信号被输入到混频器时产生的泄漏信号和当参考信号从本地振荡器输入到混频器时产生的泄漏信号；第二介电层，叠层在遮蔽地表面上；穿过第一介电层、遮蔽地表面和第二介电层形成的第一和第二通过孔，通过第一和第二通过孔分别露出混频单元和本地振荡器；第一和第二导电塞，分别填塞在第一和第二通过孔中；一第一互连，其形成于第二介电层之上，并连接第一和第二导电塞；和一第三介电层，被叠层在第二介电层上以覆盖该第一互连并且是单片的。

本地振荡器的一些无源元件和用来连接这些无源元件的一第二互连也可形成在该遮蔽地表面上。

遮蔽地表面的厚度可以多于泄漏信号趋肤深度的至少三倍；

正极孔的宽度多于泄漏信号的趋肤深度的至少三倍；

导电塞可以由铜(Cu)做成。

正极孔可以通过湿刻法在基片上形成。

根据本发明的另一方面，给出了一种制造单片直接变换式收发信机的方法，该方法包括：在一基片的预定区域形成一深槽，并用一导电塞将深槽填满；在所述基片的深槽左右两边形成混频单元和本地振荡器；在形成有深槽、混频单元和本地振荡器的基片上形成一第一介电层和一覆盖第一介电层的遮蔽地表面；形成一覆盖该遮蔽地表面的第二介电层；在第一介电层、第二介电层和遮蔽地表面上形成第一和第二通过孔，第一和第二通孔分别露出混频单元和本地振荡器，并将其用第一和第二导电塞填满；在第二介电层上形成一第一互连，该第一互连连接到第一和第二导电塞；在形成第一互连的第二介电层上形成一第三层介电层，并在第二和第三介电层之间形成一导电层；和通过化学机械抛光将基片的底表面抛磨，直到导电塞被露出并形成一正极孔。

所述深槽可以通过湿刻法在基片上形成；

所述导电塞可以由铜(Cu)做成。

根据一这样单片直接变换式收发信机的结构，大多数发生在混频单元和本地振荡器中的泄漏信号被遮蔽地表面和填有一导电塞的一正极孔有效地阻断，由此，直流偏置的发生从根本上得到抑制。

附图说明

通过参考附图来具体描述其典型实施例，本发明的上述方面和优点将更加明显。

图1和2分别示出了在传统直接变换式收发信机中减少直流偏置的方法的电路框图。

图3示出了在传统直接变换式收发信机中发生振荡信号泄漏的电路框图。

图4示出了一在传统直接变换式收发信机中发生由一低噪声放大器产生干扰泄漏信号的电路框图。

图5示出了根据本发明的一个实施例，在用于减少DC偏置的直接变换式收发信机中，在混频器和本地振荡器之间形成遮蔽地表面构思的电路框图。

图6是根据本发明一个实施例，基于图5的构思的单片直接变换式收发信机的部分剖视图。

图7是根据本发明一个实施例，制造图6所示单片直接变换式收发信机的方法的剖视图。

图8是根据本发明的一个实施例，在遮蔽地表面的介电层上安装了一些本地振荡器的无源元件的单片直接变换式收发信机的部分剖视图。

图9是用来解释在一混频器和一本地振荡器中发生泄漏信号的局部剖视图；和

图10A和10B分别示出了在由遮蔽地表面存在时测量从一混频器和一本地振荡器中辐射的泄漏信号的例子。

具体实施方式

在此之后，通过参考附图将具体描述本发明。

首先，参考图5来描述本发明的一个实施例中一个直接变换式收发信机。

一混频器74对从天线70接收的并由一第一放大器72放大的信号和由本地振荡器80提供的一预定参考信号进行混频。这样，从第一放大器72输出的信号中载波信号被消除。本地振荡器80向混频器74提供预定参考信号，用该信号来从天线70和第一放大器72接收信号中分离载波信号。一遮蔽地表面(shield ground surface)82置于混频器74和本地振荡器80之间。一从本地振荡器80输出的信号通过由遮蔽地表面82限制的区域传输到混频器74。从混频器74输出的消除载波信号后的信号的高频成分在通过低通滤波器(LPF)76时被滤除。一从LPF76输出的信号被第二放大器78放大。由本地振荡器80和混频器74产生大部分的泄漏信号A2和干扰泄漏信号A1被遮蔽地表面82所吸收，并在处理从天线70接收的信号时被阻断。为了获得足够的阻断效果，遮蔽地表面的厚度大于泄漏信号趋肤深度的3倍。

干扰泄露A1和信号泄漏A2与由本地振荡器80产生的参考信号的自混频被遮蔽地表面82所阻止掉。这样，在混频器74和本地振荡器80之间放置的遮蔽地表面就起到了减少直流偏置的作用。

将在下面更具体地描述根据本发明一个实施例的直接变换式收发信机。

图6是根据本发明一个实施例，基于图5的构思的一种单片直接变换式收发信机的部分剖视图。参考图6，第一到第五介电层140、142、144、146和148被依次叠放在一基片100上。第一到第三导电层141、143和145被放置在第二到第五介电层142、144、146和148之间。例如，基片100可以是一硅(Si)基片。第一到第五介电层140、144、146和148可以采用具有高阻性和低损耗角正切的介电材料，如二苯并噻唑环丁烯(BCB)。

在此之后，图5中所示的第一放大器72、混频器74、低通滤波器76和第二放大器构成的整个单元将被作为一混频单元110加以标记。

混频单元110，一本地振荡器120和一包括一导电塞130的正极孔130a形成于基片100中。这里，本地振荡器120具有如图5所示的本地振荡器80同样的功能。

参考图6，正极孔130a被置于基片100的中心。正极孔130a由例如可以是铜(Cu)的导电塞130填满。正极孔130a具有预定的宽度和深度，以使得作为一个配置于基片100上的一个电路的混频单元所辐射泄漏的信号和从本地振荡器120辐射的泄漏信号被阻止。为了获得足够的阻止效果，正极孔130a的宽度大于泄漏信号趋肤深度的3倍。

混频单元110置于基片100的一边，本地振荡器120置于基片100的另一边，正极孔130a位于基片的中间。混频单元110，本地振荡器120和导电塞130附着于第一介电层140的底表面。

第一介电层140、一遮蔽地表面150和第二介电层142依次叠放在基片100上。

在第一介电层140和第二介电层142上打出能够将混频单元110露出的一第一通过孔h1和能够将本地振荡器露出的第二通过孔h2。每个第一通过孔h1和第二通过孔h2由第一和第二导电塞C1和C2填塞。有一预定厚度a的一遮蔽地表面150放置于第一介电层140和第二介电层142上的第一和第二通过孔之间和周围。遮蔽地表面例如可以是铜板(Cu plate)，可以通过形成象TiCu或者是CrAu的衬底在第一介电层140上，并在衬底上电镀铜(Cu)来达到所要求的厚度。遮蔽地表面150具有如图中所示的遮蔽地表面82同样的功能。

连接第一和第二导电塞C1和C2的一第一互连160放置在第二介电层142上面。

这样，通过第一导电塞C1、第一互连160和第二导电塞C2将混频单元110和本地振荡器120连接起来。

覆盖第一互连160的第三介电层144，第四和第五介电层146、148依次叠放在第二介电层142上。

图7是根据本发明的一个实施例，制造如图6所示的单片直接变换式收发信机的方法的剖视图。参考图7将典型地描述制造单片直接变换式收发信机的方法。

首先，在基片100上湿刻一预定的区域，然后开一个深槽130b，在槽130b中填入导电塞130，例如铜(Cu)塞。

随后，在基片100中的深槽130b的左右两侧处理形成一混频单元110和一本地振荡器120，然后在置有深槽130b、混频单元110和本地振荡器120的基片100上面放置一第一介电层140和一遮蔽地表面150，接着，形成覆盖遮蔽地表面150的第二介电层142，并在第一介电层140上形成第一和第二通过孔h1和h2，用第一和第二导电塞C1和C2填入第一和第二通过孔h1和h2，在第二介电层142上形成至少一个介电层，并在第一和第二介电层140和142之间形成一个导电层，也就是，制造第三到第五介电层144、146和148以及第一到第三导电层141、143和145的过程。

随后，通过化学机械抛光法(CMP)将基片100的底表面抛磨，直到导电塞130露出，并形成如图6所示的一个正极孔130a。

上述制作过程可以采用不同的顺序，也就是先在基片100上形成混频单元110和本地振荡器120，然后开深槽130b并填入导电塞130，再对基片100的底表面进行化学机械抛光处理，最后形成介电层140、142、144、146、148和150以及遮蔽地表面150。

此外，上述过程也可以按照下面的顺序进行，先在基片100上形成混频单元110和本地振荡器120，然后开深槽130b并填入导电塞130，然后形成介电层140、142、144、146、148和150以及遮蔽地表面150，最后对基片100的底表面进行CMP处理。

同时，如果将本地振荡器120的一些无源元件170，例如一电容器A和一电感174，形成于第四和第五介电层146和148上，则就可以提高本地振荡器120的Q-因子，并因此由基片100所引起的信号辐射量也会减少。参考图8，电容器A是由一上层电极171，和一下层电极172以及位于其间的一第五介电层148构成的。此外，电感174和下层电极172通过一第二互连173连接起来。

在图8中，本地振荡器的无源元件形成于第四和第五介电层146和148上，但是，本地振荡器的这些无源元件也可以形成于遮蔽地表面150上的介电层142、144、146和148的预定区域。

图9是用来解释由混频器110和本地振荡器120产生泄漏信号的局部剖视图。参考图9，由第一互连160产生的信号泄漏与由混频单元110和本地振荡器120产生的泄漏信号相比占了大部分。然而由于第一互连160是在遮蔽地表面150之上，由第一互连160产生的大部分泄漏信号被遮蔽地表面150所吸收并被阻断。为了获得足够的阻断效果，遮蔽地表面150的厚度a和填入导电塞130的正极孔130a的宽度应大于泄漏信号趋肤深度的几倍，至少是泄漏信号的趋肤深度的3倍。这里泄漏信号的趋肤深度可以通过方程2获得

这里，当采用铜时，电阻率ρ值为3.59，渗透率μ是1。这样，当f＝5.8GHz，并且遮蔽地表面150是Cu时，泄漏信号的趋肤深度大约是14μm。如此，遮蔽地表面150的厚度a和充满导电塞130的正极孔130a的宽度大于14μm。的3倍，例如，可以是50μm。

本地振荡器120给混频单元110提供一预定参考信号，用来从由天线接收的信号中分离出载波信号。当参考信号通过第二导电塞C2从本地振荡器120输出并由第一导电塞C1输入到混频单元110时产生泄漏信号。第一和第二导电塞C1和C2的长度非常短。因此考虑到泄漏信号是与互连的长度成比例的，在混频单元110和本地振荡器120之间泄漏的大部分信号被遮蔽地表面150所阻断。

此外，在基片100中，由混频单元110和本地振荡器120产生的大部分泄漏信号被充满导电塞130的正极孔130a所吸收。这样，泄漏信号及参考信号在本地振荡器120混频时产生的直流偏置就减少了。

图10A和10B分别示出了在有遮蔽地表面存在时，测量从一混频器200和一本地振荡器210辐射的泄漏信号的例子。参考图10A，当没有采用遮蔽地表面，并用接合线240将混频器200和本地振荡器210连接起来时，在5-6GHz带宽下的泄漏信号大约是-30dB。

同时，正如图10B所示，当混频器200和本地振荡器210被遮蔽地表面250所隔开时，在5-6GHz带宽下的泄漏信号大约是-70dB，由此，通过使用遮蔽地表面250，可以获得大约40dB的阻断效果。

通常，在混频器和本地振荡器之间的泄漏信号的阻隔度大约是50dB，考虑到大约30dB的泄漏信号在混频器中被阻断，对于本发明的阻断效果还是令人满意的。

正如上面所述，在本发明中的单片直接变换式收发信机中，在一混频单元和一本地振荡器之间存在一充满导电塞的正极孔，在一遮蔽地表面之上设置连接混频单元和本地振荡器的互连。这样，大部分泄漏信号被遮蔽地表面和一充满导电塞的正极孔有效地阻断，因此从根本上抑制了直流偏置的发生。如此，与现有的用来减少直流偏置的电路结构相比，该直接变换式收发信机的大小、功耗和价格都降低了。

此外，本发明的单片结构从根本上阻止了泄漏信号的自混频。这样，本发明可以被应用于所有调制方法的直接变换式收发信机，例如时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)和频分多址(FDMA)，并且可以不用考虑频率带宽。

此外，本发明不受所采用基片的特性的影响，例如CMOS，硅锗SiGe或镓砷GaAs。尤其是即使在具有强辐射特性的基片中，例如CMOS，直流偏置也能明显得到减少。

显然本发明是通过参考实施例做的特殊展示和描述，但是本领域技术人员将明白，在不脱离附加的权利要求书中所限定的本发明精神和范围的情况下，可以作出各种形式和细节的变化。

Claims (9)

1、一种单片直接变换式收发信机，包括一混频单元，其包括一用来放大从天线接收到的信号的第一放大器和一用来通过一预定的输入参考信号来消除从第一放大器输出的信号中载波信号的混频器；一低通滤波器，用来滤除从所述混频器输出信号中的高频成分；和一个第二放大器，用来放大从所述低通滤波器输出信号；一本地振荡器，用来给所述混频器提供参考信号；该单片直接变换式收发信机还包括：

一基片，其上面设有混频单元和本地振荡器，以构成电路；

在基片中的混频单元和本地振荡器之间形成的一正极孔，其具有预定宽度和深度，并在其中填满阻止混频器和本地振荡器辐射的泄漏信号的导电塞；

第一介电层，叠层在基片上；

一遮蔽地表面，形成于第一介电层上面，并用于阻断当由天线接收的信号被输入到混频器时产生的泄漏信号和当参考信号从本地振荡器输入到混频器时产生的泄漏信号；

第二介电层，叠层在遮蔽地表面上；

穿过第一介电层、遮蔽地表面和第二介电层形成的第一和第二通过孔，通过第一和第二通过孔分别露出混频单元和本地振荡器；

第一和第二导电塞，分别填塞在第一和第二通过孔中；

一第一互连，其形成于第二介电层之上，并连接第一和第二导电塞；和

一第三介电层，被叠层在第二介电层上以覆盖该第一互连并且是单片的。

2、如权利要求1所述的收发信机，其中本地振荡器的一些无源元件和用来连接这些无源元件的一第二互连形成在该遮蔽地表面之上。

3、如权利要求1所述的收发信机，其中遮蔽地表面的厚度是泄漏信号趋肤深度的至少三倍。

4、如权利要求1所述的收发信机，其中正极孔的宽度大于泄漏信号的趋肤深度的至少三倍。

5、如权利要求1所述的收发信机，其中导电塞由铜做成。

6、如权利要求1所述的收发信机，其中通过湿刻法在基片上形成正极孔。

7、一种制造单片直接变换式收发信机的方法，该方法包括：

在一基片的预定区域形成一深槽，并用一导电塞将深槽填满；

在所述基片的深槽左右两边形成混频单元和本地振荡器；

在形成有深槽、混频单元和本地振荡器的基片上形成一第一介电层和一覆盖第一介电层的遮蔽地表面；

形成一覆盖该遮蔽地表面的第二介电层；

在第一介电层、第二介电层和遮蔽地表面上形成第一和第二通过孔，第一和第二通孔分别露出混频单元和本地振荡器，并将其用第一和第二导电塞填满；

在第二介电层上形成一第一互连，该第一互连连接到第一和第二导电塞；

在形成第一互连的第二介电层上形成一第三层介电层，并在第二和第三介电层之间形成一导电层；和

通过化学机械抛光将基片的底表面抛磨，直到导电塞被露出并形成一正极孔。

8、如权利要求7所述的方法，其中所述深槽是通过湿刻法在基片上形成的。

9、如权利要求7所述的方法，其中所述导电塞由铜做成。

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