| 以高速傳輸數(shù)據(jù)并能傳送圖像為特征的第三代（3G）移動通信系統(tǒng)對通信設(shè)備提出了新的要求,同時也將毫無疑問地引發(fā)新一代移動終端的革命。WCDMA、CDMA2000 和TD-SCDMA 作為3G通信標準已獲得國際電聯(lián)（ITU）的認可,它們將兼容第二代移動通信系統(tǒng)并在其基礎(chǔ)上投入運營。因此,相應(yīng)的3G移動通信終端必將要求滿足多模式和多頻段工作的需要。多模、多頻段手機研發(fā)取決于先進的元器件,而前端射頻元器件一直是研發(fā)的“瓶頸”所在。本文簡要分析和概括3G移動通信中相關(guān)射頻元器件的現(xiàn)狀和研發(fā)進展,同時也報道一些最近的研究成果。
3G移動通信系統(tǒng)參數(shù)
3G移動通信的相關(guān)參數(shù)如表1所示。從表中可以看出,不同標準的系統(tǒng)參數(shù)有很大差別,而且工作在不同頻段。3G移動通信系統(tǒng)的工作頻段與目前的 2G移動通信系統(tǒng)（GSM,CDMA）相差甚遠：在中國,GSM工作在880～915MHz （up）,925～960MHz (down) 和1710～1785MHz（up）,1805～1880MHz （down）頻段;CDMA工作在824～849MHz (up), 869-894MHz (down)頻段。因此,多模手機的射頻元器件需滿足多頻段工作的要求。
天線
天線,作為移動產(chǎn)品的必不可少的關(guān)鍵元器件,其輻射效率、 方向性、帶寬和阻抗匹配等特性對通信產(chǎn)品將產(chǎn)生很大影響。同時,它還能給移動通信產(chǎn)品帶來許多附加價值,如小型化、輕巧、美觀外形和低輻射等。在手機天線中,拉桿天線因其尺寸大而將淡出市場。取而代之的將是介質(zhì)共振天線和微帶天線。介質(zhì)共振天線的優(yōu)點在于寬帶和小型化,陶瓷天線則同時提供進一步集成的可能性。圖1是最近研制成功的TD-SCDMA陶瓷天線及其測試結(jié)果。
這種陶瓷天線,具有結(jié)構(gòu)簡單、易于加工、適于多頻段工作、內(nèi)置且易于集成等特點,在3G移動通信中具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＫ�易于實現(xiàn)天線加載技術(shù),并向集成化發(fā)展,實現(xiàn)低SAR、分集及無線終端天線陣列的設(shè)計。陶瓷天線目前研究的重點在于多帶天線以滿足新一代無線收發(fā)信機的要求。
介質(zhì)共振天線進一步小型化需用高介電常數(shù)的介質(zhì)材料,這將引起天線輻射效率的降低。解決這一矛盾的方法是利用光子帶隙材料。光子帶隙的設(shè)計是目前研究的熱點。微帶天線的優(yōu)點在于便于集成,而其缺點是只能用于窄帶系統(tǒng)。利用微加工技術(shù)產(chǎn)生的特殊基底結(jié)構(gòu)可增加帶寬,這方面的工作正在進行中。在天線設(shè)計中,一方面要面對小型化的挑戰(zhàn),另一方面,又要遵循天線本身的設(shè)計規(guī)則。因此可以說,天線的設(shè)計正變?yōu)橐环N藝術(shù)：同時兼顧小型化、帶寬及輻射效率的要求。
濾波器
當今移動產(chǎn)品的射頻前端濾波器或雙工器主要用聲學表面波(SAW)濾波器或陶瓷濾波器。SAW以其體積小、質(zhì)量輕、較大形狀因子與品質(zhì)因數(shù)和高帶阻廣泛用于射頻前端和中頻。滿足于多模、多頻段的移動終端的SAW雙工器或多工器乃至濾波器庫已進入市場。然而SAW器件的插損一般較大（1～2dB）、難于集成,同時在高頻下難以處理大功率,一般用于2GHz以下的無線通信系統(tǒng)中。陶瓷濾波器的特點是插損小,能處理大功率,易同天線、開關(guān)集成,原則上可用于很高頻率。但是陶瓷濾波器體積大,形狀因子與品質(zhì)因數(shù)較小,因此,陶瓷濾波器難以用于多帶多功能3G移動通信系統(tǒng)中。近年來薄膜聲學體波共振技術(shù)(FBAR)給射頻前端濾波器小型化和集成化帶來一線曙光。當然,許多問題涉及工藝控制與封裝過程還有待解決。典型的FBAR測試結(jié)果如下：
FBAR技術(shù)帶來的高Q和高耦合系數(shù)可以與高級的陶瓷和聲表面波振子媲美。目前已實現(xiàn)的Q值超過1000,與基于陶瓷的產(chǎn)品相比較,FBAR技術(shù)在小型化方面占有絕對的優(yōu)勢,可以實現(xiàn)小于目前基于陶瓷產(chǎn)品10%體積的產(chǎn)品。FBAR的電特性已達到目前CDMA和PCS陶瓷雙工器的性能標準。
微機電（MEMS）開關(guān)
二極管開關(guān)已成功用于無線收發(fā)信機的射頻前端。然而因其較大插損和難以處理大功率,二極管開關(guān)一般難以滿足多帶多功能3G移動通信系統(tǒng)的需要。代之的將是微機電開關(guān)。微機電開關(guān)具有低插損（0.1dB）、高絕緣 (40dB,2GHz)、易于集成和能處理大功率 (1～2W)等優(yōu)點,將廣泛用于未來手機中。
 
壓控振蕩器（VCO）
VCO是射頻電路中關(guān)鍵器件。目前多數(shù)采用難以集成的聲學表面波振子,其可調(diào)節(jié)范圍相當有限。為簡化多帶多功能3G移動通信系統(tǒng)的頻率合成電路,需較大可調(diào)節(jié)范圍的壓控振蕩器。以高機電耦合系數(shù)為介電層的FBAR和非線性高頻陶瓷振子可滿足大范圍調(diào)節(jié)需求而成為熱門研究課題。FBAR提供了與有源器件集成的可能,而陶瓷振子則有可能與其他陶瓷濾波器集成。
低噪聲放大器（LNA）
LNA是接收通道中不可缺少的單元,它的主要要求是高增益,低噪聲系數(shù),高輸入三階截點（高線性度）,低功耗,大動態(tài)范圍。典型3G通信速率及帶寬的提高使其接收機具有90dB 左右的設(shè)計動態(tài)范圍,為了保證正確檢測和解調(diào)接收信號,LNA應(yīng)保證在允許的接收信號功率范圍內(nèi)保持良好的線性。通常要求LNA具有高低增益模式,從而實現(xiàn)線性可控。而功耗和成本控制及小體積是LNA設(shè)計的長期要求。就半導體工藝來講,SiGe技術(shù)使IC具有更好的頻率響應(yīng)、增益及線性指標。
功率放大器（PA）
3G 通信系統(tǒng)利用的非恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)要求發(fā)射器工作于線性狀態(tài),從而使線性化技術(shù)和效率增強技術(shù)成為功放（PA）設(shè)計的關(guān)鍵所在。相比于2G的低發(fā)射功率要求使3G系統(tǒng)功放的效率降低,這是因為大多時候功放沒有工作于最大功率輸出狀態(tài),功放開關(guān)速率比的增加又使部分功率在工作時間浪費。因此功放的高線性,低失真和高效率在3G系統(tǒng)中變得越來越重要,而高速率使得線性化和效率增強變得更加困難。
目前,在功放的線性化方面有笛卡爾環(huán)、極坐標環(huán)、前饋和預失真等技術(shù)出現(xiàn),而效率增強技術(shù)即基于提高線性功放效率的技術(shù)主要有：包絡(luò)跟蹤、包絡(luò)消除再生技術(shù)和自適應(yīng)偏置技術(shù)等。降低成本、減少體積也是功放一貫的要求。在3G與2G的共存階段,隨著多模、多頻段終端的發(fā)展,將使多模多頻段功放模塊的需求也大為增加。良好的線性、高效率、高可靠性以及高集成、低成本是3G時代功放的普通要求。
結(jié)論
移動通信突飛猛進的發(fā)展對射頻元器件的研發(fā)提出了新的要求：小型化、集成化、模塊化、質(zhì)量輕、價格廉,而且能滿足3G移動終端多模、多頻段、多功能的需求。陶瓷天線、微加工技術(shù)、光子帶隙設(shè)計、MEMS和FBAR技術(shù),以及SiGe技術(shù)和多模多頻段功放模塊設(shè)計是目前的研究熱點,將為研制單模塊、高性能的3G射頻元器件提供解決方案。
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