短距離無線通信中的關(guān)鍵技術(shù)研究

劉仲華

摘 要：與有線通信相比，無線通信具有無需布線、成本低、適應(yīng)性強、便于維護等優(yōu)點。隨著無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，各種無線通信產(chǎn)品在各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在被稱為信息時代的今天，無線通信扮演著一個非常重要的角色。

關(guān)鍵詞：無線通信；技術(shù)；研究

由于短距離無線通信網(wǎng)可以隨時隨地的進行數(shù)據(jù)通信，減少了對有線連接的要求，提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性，并且因其可移動性、組網(wǎng)靈活性、應(yīng)用范圍的廣泛性和傳輸速度快等優(yōu)點，使得在當前個人家庭和辦公環(huán)境逐漸開始廣泛的應(yīng)用。所以研究短距離無線通信中的關(guān)鍵技術(shù)有著重要的現(xiàn)實意義。其中，藍牙、802.11、IrDA、UWB、Zigbee是短距離無線通信中主要的標準。UWB技術(shù)由于具有高速率、大容量、高分辨率、抗多徑衰落、功率低、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易數(shù)字化的優(yōu)點成為學(xué)者們的研究熱點。另外，隨著通信量的急劇增長，使得通信系統(tǒng)不斷更新和擴容。為減小天線間的干擾并降低成本，要求天線能同時滿足多個系統(tǒng)的通信要求，為此，雙頻天線成為近年來的研究熱點。同時，隨著信息與電子科技的快速發(fā)展，無線移動通信系統(tǒng)出現(xiàn)了各個不同頻帶的劃分，例如全球移動通信系統(tǒng)（GSM；890—960MHz），數(shù)字通信系統(tǒng)（DCS；1710—1880 MHz），個人通信系統(tǒng)（PCS：1850-1990 MHz），通用移動通信系統(tǒng)（UMTS；1920—2170MHz），藍牙通信（ISM：2400-2483MHz）。然而，隨著通信系統(tǒng)質(zhì)量的要求提高，對天線的要求也是不斷提高。目前最常見的移動天線有偶極天線（Dipole Antenna）、PIFA（Planar Inverted F Antenna）天線以及陶瓷天線（Ceramic Antenna）等。由于這些天線具有近似全向性的輻射場型以及結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低的優(yōu)點，所以非常適合移動裝置使用。其中陶瓷天線是一種適合于集成裝置所使用的小型化天線。陶瓷天線的種類可分為塊狀陶瓷天線與多層陶瓷天線，前者是使用高溫（攝氏1000度以上）將整塊陶瓷體一次燒結(jié)完成后再將天線的金屬部份印在陶瓷塊的表面上；后者則采用低溫共燒方式（LTCC，low temperature cofired ceramic）將多層陶瓷迭壓對位后，再以攝氏800一900度的溫度燒結(jié)，所以天線的金屬導(dǎo)體可以依據(jù)設(shè)計需要印在每一層陶瓷介質(zhì)層上，如此一來便可以縮小天線的尺寸，并能達到隱蔽天線設(shè)計布局的目的。由于陶瓷本身的絕緣性較PCB板高，所以使用陶瓷作為天線介質(zhì)能有效縮小天線尺寸；在介質(zhì)損耗方面，陶瓷也比PCB電路板的介質(zhì)損耗更小，所以非常適合在低耗電率的短距離無線通信模塊中使用。除此之外，當必須利用低溫共燒技術(shù)來將模塊體積降到最小時，天線可以輕易的與電路模塊整合在低溫共燒的多層陶瓷介質(zhì)中，這將是整個模塊小型化的最佳選擇。

我們現(xiàn)在研究的就是采用LTCC工藝，研究開發(fā)適于目前和未來短距離無線通信系統(tǒng)天線芯片技術(shù)。LTCC技術(shù)是近年來興起的一種令人矚目的多學(xué)科交叉的整合組件技術(shù)。其原理是將低溫燒結(jié)陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形，并將多個無源組件（如低容值電容、電阻、濾波器、阻抗轉(zhuǎn)換器、耦合器等）埋入多層陶瓷基板中，制成三維空間內(nèi)集成的無源元件，也可在其表面貼裝IC和有源器件，制成無源/有源集成的功能模塊。

與傳統(tǒng)PCB版電路加工工藝相比，LTCC工藝具有如下性能優(yōu)勢：

（1）品質(zhì)因數(shù)高，響應(yīng)頻率溫度系數(shù)低，有助于提高產(chǎn)品性能；

（2）介質(zhì)損耗低，減少了功率損耗，延長了電池使用壽命；

（3）可以混合模擬、數(shù)字和射頻技術(shù)，有利于設(shè)計創(chuàng)新、集成化和降低成本；

（4）氣密性良好，有助于提高設(shè)計靈活性、減小尺寸、降低成本、提高可靠性；

（5）光敏導(dǎo)帶的介入，有助于提高布線密度，改善阻抗的可控性；

（6）熱膨脹系數(shù)低，溫度變化對性能影響極低；

（7）熱膨脹系數(shù)與硅、砷化鎵，鍺化硅相匹配，有利于裸芯片組裝；

（8）導(dǎo)熱率高，有利于簡化設(shè)計，減少產(chǎn)品尺寸，降低成本；

（9）可以埋置無源元件，有利于減少產(chǎn)品尺寸、降低成本、提高可靠性和集成度。

早期，LTCC技術(shù)主要應(yīng)用于軍事電子領(lǐng)域，成本相對很高。近年來，由于受到汽車電子、移動通信等商用市場的推動，LTCC技術(shù)在材料和工藝方面進行了較大的改進，如采用Ag導(dǎo)帶、提高基板尺寸、簡化工藝等，從而形成了新的低成本解決方案。可以說，目前LTCC技術(shù)進入移動通信領(lǐng)域的時機已經(jīng)成熟。以LTCC 技術(shù)為基礎(chǔ)的器件及系統(tǒng)將更多的電子設(shè)備順利應(yīng)用于各種大型計算機或大功率電子設(shè)備（ 如衛(wèi)星系統(tǒng)、航天系統(tǒng)、無線通訊等），方便人們生活，創(chuàng)造巨大經(jīng)濟價值，助推社會財富積累。因此，基于LTCC工藝的天線芯片技術(shù)得到國內(nèi)外通信研究機構(gòu)和國際公司高度重視。

在移動通信領(lǐng)域中，LTCC技術(shù)可以應(yīng)用于制作濾波器（Filter）、壓控振蕩器（VCO）、功率放大器（Power Amplifiers）、鎖相環(huán)路（PLL）、天線（Antenna）等等。Motorola陶瓷技術(shù)在應(yīng)用LTCC材料于移動通信領(lǐng)域起領(lǐng)先作用，如其研究開發(fā)的MCIC（多層陶瓷集成電路）就是在LTCC材料上制成。MCIC在集成無源元件上具有很強的優(yōu)勢，特別適合800MHz及其以上頻率使用。諸如收發(fā)開關(guān)、延遲線、濾波器、VCO（壓控振蕩器）和定向耦合器等等，廣泛應(yīng)用于微電子工業(yè)的各個領(lǐng)域，具有十分廣闊的應(yīng)用市場和發(fā)展前景。

目前LTCC技術(shù)已經(jīng)進入更新的應(yīng)用階段，包括無線局域網(wǎng)絡(luò)、地面數(shù)字廣播、全球定位系統(tǒng)接收器組件、數(shù)字信號處理器和記憶體等及其它電源供應(yīng)組件甚至是數(shù)位電路組件基板。例如， 村田、三菱電工、京瓷、TDK、Epcos、日立、Avx等十多家開發(fā)的手機無線開關(guān)組件，NEC、村田等開發(fā)的藍牙組件都是由LTCC 技術(shù)制成的。此外，LTCC 組件因其結(jié)構(gòu)緊湊， 高耐熱和耐沖擊性， 目前在軍工和航天設(shè)備中廣泛應(yīng)用， 預(yù)計未來在汽車電子系統(tǒng)上的應(yīng)用也會十分普遍。CTS 公司已經(jīng)宣布將為汽車電子市場提供低溫燒結(jié)陶瓷電路板。

在天線領(lǐng)域，NTT未來網(wǎng)絡(luò)研究所推出天線一體型60GHz頻帶LTCC 發(fā)送模塊，其特點是將無線嵌入到LTCC底板中。模塊在外形尺寸為12mm×12mm×1.2mm的LTCC底板中集成了帶反射線的天線、功率放大器（PA）、帶通濾波器和電壓控制振震器（VCO）等元器件。布線層由0.1mm×6層和0.05mm×12層組成。從LTCC的介電常數(shù)來說，在Er=7.7和10GHz條件下tan=0.002。

采用LTCC工藝設(shè)計的短距離無線通信用天線芯片技術(shù)具有如下優(yōu)點：

（1）在0.5 MHz～80 GHz 頻率范圍內(nèi)，LTCC 技術(shù)帶來的信號損失遠遠低于多層線路板技術(shù)；

（2）由于批量生產(chǎn)設(shè)備和工藝的引入，原材料成本降低以及在中國進行加工制造，LTCC 產(chǎn)品的成本得以大幅度的降低；

（3）由于使用嵌入元件而不是線路板上的表面貼裝元件，模塊尺寸減小20%～40%，天線加工裝配成本更低；

（4）滿足無線應(yīng)用RF頻率范圍要求的電子模塊材料中，LTCC 材料是最理想的材料。

（5）具備自主知識產(chǎn)權(quán)的LTCC天線CAD設(shè)計和分析軟件，對有關(guān)設(shè)計技術(shù)可起到一定的技術(shù)保護作用。

國外射頻元件大廠商在LTCC領(lǐng)域布局較久，技術(shù)與市場均占有領(lǐng)先地位。技術(shù)方面，其在原材料控制，專利技術(shù)與產(chǎn)品良率上較有優(yōu)勢。市場方面，在無源元件與射頻系統(tǒng)整合過程中，IC解決方案提供商往往會挑選一些LTCC廠商作為出貨時建議配套器件甚至直接提供LTCC封裝模塊方式供下游制造商采購，以往國內(nèi)的終端產(chǎn)品為了盡快搶占市場，最初的設(shè)計方案大都是從國外買來的，甚至方案與元器件打包采購，其所購方案都選用了國外元器件，由于IC供應(yīng)現(xiàn)今仍掌握在美日大廠手中，直接切入可能性不大。但是近幾年來臺灣等地射頻IC方案取得突破（如聯(lián)發(fā)科，雷凌），以其高性價比迅速在國內(nèi)眾多制造商中普及，采購本土生產(chǎn)的LTCC元件的意愿大幅提高；而且隨著終端產(chǎn)品產(chǎn)能過剩，價格和成本競爭日趨激烈，可以預(yù)見，元器件的國產(chǎn)化帶來的成本優(yōu)勢，支持服務(wù)的便利，采購周期的節(jié)約，與國內(nèi)終端生產(chǎn)線的匹配，將會成為下游制造業(yè)追逐的重要焦點。但是國內(nèi)LTCC產(chǎn)品的開發(fā)比國外發(fā)達國家至少落后五年，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的材料體系和器件幾乎是空白，雖然本土的LTCC產(chǎn)能、工藝控制與設(shè)計技術(shù)近年也有迅猛的發(fā)展，浙江正原，深圳順絡(luò)已成功切入市場，但大多是原陶瓷材料生產(chǎn)廠商通過并購而來，在產(chǎn)品線完整性，專利技術(shù)的保有度，與IC廠商的合作度等均遠不能滿足市場的需求。LTCC器件需求與產(chǎn)能的不足的矛盾必會激化，這將為國內(nèi)LTCC器件的發(fā)展提供良好的市場契機。

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