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、適應性強、便于維護等優(yōu)點。隨著無線通信技術的迅速發(fā)展，各種無線通信產品在各個領域得到廣泛的應用。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。

關鍵詞：無線通信；技術；研究

由于短距離無線通信網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，提高了網絡的靈活性，并且因其可移動性、組網靈活性、應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用。所以研究短距離無線通信中的關鍵技術有著重要的現(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)結構簡單、成本低、易數(shù)字化的優(yōu)點成為學者們的研究熱點。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構簡單、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，所以天線的金屬導體可以依據(jù)設計需要印在每一層陶瓷介質層上，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能有效縮小天線尺寸；在介質損耗方面，陶瓷也比PCB電路板的介質損耗更小，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。LTCC技術是近年來興起的一種令人矚目的多學科交叉的整合組件技術。其原理是將低溫燒結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、阻抗轉換器、耦合器等）埋入多層陶瓷基板中，制成三維空間內集成的無源元件，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）品質因數(shù)高，響應頻率溫度系數(shù)低，有助于提高產品性能；

（2）介質損耗低，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，有利于設計創(chuàng)新、集成化和降低成本；

（4）氣密性良好，有助于提高設計靈活性、減小尺寸、降低成本、提高可靠性；

（5）光敏導帶的介入，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）導熱率高，有利于簡化設計，減少產品尺寸，降低成本；

（9）可以埋置無源元件，有利于減少產品尺寸、降低成本、提高可靠性和集成度。

早期，LTCC技術主要應用于軍事電子領域，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技術在材料和工藝方面進行了較大的改進，如采用Ag導帶、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?？梢哉f，目前LTCC技術進入移動通信領域的時機已經成熟。以LTCC 技術為基礎的器件及系統(tǒng)將更多的電子設備順利應用于各種大型計算機或大功率電子設備（ 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得到國內外通信研究機構和國際公司高度重視。

在移動通信領域中，LTCC技術可以應用于制作濾波器（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陶瓷技術在應用LTCC材料于移動通信領域起領先作用，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、延遲線、濾波器、VCO（壓控振蕩器）和定向耦合器等等，廣泛應用于微電子工業(yè)的各個領域，具有十分廣闊的應用市場和發(fā)展前景。

目前LTCC技術已經進入更新的應用階段，包括無線局域網絡、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)的手機無線開關組件，NEC、村田等開發(fā)的藍牙組件都是由LTCC 技術制成的。此外，LTCC 組件因其結構緊湊， 高耐熱和耐沖擊性， 目前在軍工和航天設備中廣泛應用， 預計未來在汽車電子系統(tǒng)上的應用也會十分普遍。CTS 公司已經宣布將為汽車電子市場提供低溫燒結陶瓷電路板。

在天線領域，NTT未來網絡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工藝設計的短距離無線通信用天線芯片技術具有如下優(yōu)點：

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

（2）由于批量生產設備和工藝的引入，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）具備自主知識產權的LTCC天線CAD設計和分析軟件，對有關設計技術可起到一定的技術保護作用。

國外射頻元件大廠商在LTCC領域布局較久，技術與市場均占有領先地位。技術方面，其在原材料控制，專利技術與產品良率上較有優(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，以往國內的終端產品為了盡快搶占市場，最初的設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眾多制造商中普及，采購本土生產的LTCC元件的意愿大幅提高；而且隨著終端產品產能過剩，價格和成本競爭日趨激烈，可以預見，元器件的國產化帶來的成本優(yōu)勢，支持服務的便利，采購周期的節(jié)約，與國內終端生產線的匹配，將會成為下游制造業(yè)追逐的重要焦點。但是國內LTCC產品的開發(fā)比國外發(fā)達國家至少落后五年，擁有自主知識產權的材料體系和器件幾乎是空白，雖然本土的LTCC產能、工藝控制與設計技術近年也有迅猛的發(fā)展，浙江正原，深圳順絡已成功切入市場，但大多是原陶瓷材料生產廠商通過并購而來，在產品線完整性，專利技術的保有度，與IC廠商的合作度等均遠不能滿足市場的需求。LTCC器件需求與產能的不足的矛盾必會激化，這將為國內LTCC器件的發(fā)展提供良好的市場契機。

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