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短距离无线通信中的关键技术研究

刘仲华
摘 要：与有线通信相比，无线通信具有无需布线、成本低、适应性强、便于维护等优点。随着无线通信技术的迅速发展，各种无线通信产品在各个领域得到广泛的应用。在被称为信息时代的今天，无线通信扮演着一个非常重要的角色。
关键词：无线通信；技术；研究
由于短距离无线通信网可以随时随地的进行数据通信，减少了对有线连接的要求，提高了网络的灵活性，并且因其可移动性、组网灵活性、应用范围的广泛性和传输速度快等优点，使得在当前个人家庭和办公环境逐渐开始广泛的应用。所以研究短距离无线通信中的关键技术有着重要的现实意义。其中，蓝牙、802.11、IrDA、UWB、Zigbee是短距离无线通信中主要的标准。UWB技术由于具有高速率、大容量、高分辨率、抗多径衰落、功率低、系统结构简单、成本低、易数字化的优点成为学者们的研究热点。另外，随着通信量的急剧增长，使得通信系统不断更新和扩容。为减小天线间的干扰并降低成本，要求天线能同时满足多个系统的通信要求，为此，双频天线成为近年来的研究热点。同时，随着信息与电子科技的快速发展，无线移动通信系统出现了各个不同频带的划分，例如全球移动通信系统（GSM；890—960MHz），数字通信系统（DCS；1710—1880 MHz），个人通信系统（PCS：1850-1990 MHz），通用移动通信系统（UMTS；1920—2170MHz），蓝牙通信（ISM：2400-2483MHz）。然而，随着通信系统质量的要求提高，对天线的要求也是不断提高。目前最常见的移动天线有偶极天线（Dipole Antenna）、PIFA（Planar Inverted F Antenna）天线以及陶瓷天线（Ceramic Antenna）等。由于这些天线具有近似全向性的辐射场型以及结构简单、制作成本低的优点，所以非常适合移动装置使用。其中陶瓷天线是一种适合于集成装置所使用的小型化天线。陶瓷天线的种类可分为块状陶瓷天线与多层陶瓷天线，前者是使用高温（摄氏1000度以上）将整块陶瓷体一次烧结完成后再将天线的金属部份印在陶瓷块的表面上；后者则采用低温共烧方式（LTCC，low temperature cofired ceramic）将多层陶瓷迭压对位后，再以摄氏800一900度的温度烧结，所以天线的金属导体可以依据设计需要印在每一层陶瓷介质层上，如此一来便可以缩小天线的尺寸，并能达到隐蔽天线设计布局的目的。由于陶瓷本身的绝缘性较PCB板高，所以使用陶瓷作为天线介质能有效缩小天线尺寸；在介质损耗方面，陶瓷也比PCB电路板的介质损耗更小，所以非常适合在低耗电率的短距离无线通信模块中使用。除此之外，当必须利用低温共烧技术来将模块体积降到最小时，天线可以轻易的与电路模块整合在低温共烧的多层陶瓷介质中，这将是整个模块小型化的最佳选择。
我们现在研究的就是采用LTCC工艺，研究开发适于目前和未来短距离无线通信系统天线芯片技术。LTCC技术是近年来兴起的一种令人瞩目的多学科交叉的整合组件技术。其原理是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个无源组件（如低容值电容、电阻、滤波器、阻抗转换器、耦合器等）埋入多层陶瓷基板中，制成三维空间内集成的无源元件，也可在其表面贴装IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块。
与传统PCB版电路加工工艺相比，LTCC工艺具有如下性能优势：
（1）品质因数高，响应频率温度系数低，有助于提高产品性能；
（2）介质损耗低，减少了功率损耗，延长了电池使用寿命；
（3）可以混合模拟、数字和射频技术，有利于设计创新、集成化和降低成本；
（4）气密性良好，有助于提高设计灵活性、减小尺寸、降低成本、提高可靠性；
（5）光敏导带的介入，有助于提高布线密度，改善阻抗的可控性；
（6）热膨胀系数低，温度变化对性能影响极低；
（7）热膨胀系数与硅、砷化镓，锗化硅相匹配，有利于裸芯片组装；
（8）导热率高，有利于简化设计，减少产品尺寸，降低成本；
（9）可以埋置无源元件，有利于减少产品尺寸、降低成本、提高可靠性和集成度。
早期，LTCC技术主要应用于军事电子领域，成本相对很高。近年来，由于受到汽车电子、移动通信等商用市场的推动，LTCC技术在材料和工艺方面进行了较大的改进，如采用Ag导带、提高基板尺寸、简化工艺等，从而形成了新的低成本解决方案。可以说，目前LTCC技术进入移动通信领域的时机已经成熟。以LTCC 技术为基础的器件及系统将更多的电子设备顺利应用于各种大型计算机或大功率电子设备（ 如卫星系统、航天系统、无线通讯等），方便人们生活，创造巨大经济价值，助推社会财富积累。因此，基于LTCC工艺的天线芯片技术得到国内外通信研究机构和国际公司高度重视。
在移动通信领域中，LTCC技术可以应用于制作滤波器（Filter）、压控振荡器（VCO）、功率放大器（Power Amplifiers）、锁相环路（PLL）、天线（Antenna）等等。Motorola陶瓷技术在应用LTCC材料于移动通信领域起领先作用，如其研究开发的MCIC（多层陶瓷集成电路）就是在LTCC材料上制成。MCIC在集成无源元件上具有很强的优势，特别适合800MHz及其以上频率使用。诸如收发开关、延迟线、滤波器、VCO（压控振荡器）和定向耦合器等等，广泛应用于微电子工业的各个领域，具有十分广阔的应用市场和发展前景。
目前LTCC技术已经进入更新的应用阶段，包括无线局域网络、地面数字广播、全球定位系统接收器组件、数字信号处理器和记忆体等及其它电源供应组件甚至是数位电路组件基板。例如， 村田、三菱电工、京瓷、TDK、Epcos、日立、Avx等十多家开发的手机无线开关组件，NEC、村田等开发的蓝牙组件都是由LTCC 技术制成的。此外，LTCC 组件因其结构紧凑， 高耐热和耐冲击性， 目前在军工和航天设备中广泛应用， 预计未来在汽车电子系统上的应用也会十分普遍。CTS 公司已经宣布将为汽车电子市场提供低温烧结陶瓷电路板。
在天线领域，NTT未来网络研究所推出天线一体型60GHz频带LTCC 发送模块，其特点是将无线嵌入到LTCC底板中。模块在外形尺寸为12mm×12mm×1.2mm的LTCC底板中集成了带反射线的天线、功率放大器（PA）、带通滤波器和电压控制振震器（VCO）等元器件。布线层由0.1mm×6层和0.05mm×12层组成。从LTCC的介电常数来说，在Er=7.7和10GHz条件下tan=0.002。
采用LTCC工艺设计的短距离无线通信用天线芯片技术具有如下优点：
（1）在0.5 MHz～80 GHz 频率范围内，LTCC 技术带来的信号损失远远低于多层线路板技术；
（2）由于批量生产设备和工艺的引入，原材料成本降低以及在中国进行加工制造，LTCC 产品的成本得以大幅度的降低；
（3）由于使用嵌入元件而不是线路板上的表面贴装元件，模块尺寸减小20%～40%，天线加工装配成本更低；
（4）满足无线应用RF频率范围要求的电子模块材料中，LTCC 材料是最理想的材料。
（5）具备自主知识产权的LTCC天线CAD设计和分析软件，对有关设计技术可起到一定的技术保护作用。
国外射频元件大厂商在LTCC领域布局较久，技术与市场均占有领先地位。技术方面，其在原材料控制，专利技术与产品良率上较有优势。市场方面，在无源元件与射频系统整合过程中，IC解决方案提供商往往会挑选一些LTCC厂商作为出货时建议配套器件甚至直接提供LTCC封装模块方式供下游制造商采购，以往国内的终端产品为了尽快抢占市场，最初的设计方案大都是从国外买来的，甚至方案与元器件打包采购，其所购方案都选用了国外元器件，由于IC供应现今仍掌握在美日大厂手中，直接切入可能性不大。但是近几年来台湾等地射频IC方案取得突破（如联发科，雷凌），以其高性价比迅速在国内众多制造商中普及，采购本土生产的LTCC元件的意愿大幅提高；而且随着终端产品产能过剩，价格和成本竞争日趋激烈，可以预见，元器件的国产化带来的成本优势，支持服务的便利，采购周期的节约，与国内终端生产线的匹配，将会成为下游制造业追逐的重要焦点。但是国内LTCC产品的开发比国外发达国家至少落后五年，拥有自主知识产权的材料体系和器件几乎是空白，虽然本土的LTCC产能、工艺控制与设计技术近年也有迅猛的发展，浙江正原，深圳顺络已成功切入市场，但大多是原陶瓷材料生产厂商通过并购而来，在产品线完整性，专利技术的保有度，与IC厂商的合作度等均远不能满足市场的需求。LTCC器件需求与产能的不足的矛盾必会激化，这将为国内LTCC器件的发展提供良好的市场契机。
参考文献：
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[2]傅民仓，冯立杰，李文波.短距离无线网络通信技术及其应用[J].现代电子技术，2006（11）.
[3]阳振宇，虞春.PIFA天线的基础特性研究与多频宽带技术[J].现代传输，2011（06）.

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