0 引言

 

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的出現(xiàn)以及下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)5G目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，電路和設(shè)備技術(shù)都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。本文重點(diǎn)介紹三種5G器件技術(shù)及其組件，從射頻/微波微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）器件到物聯(lián)網(wǎng)傳感器的能量收集，再到聲表面波濾波器的應(yīng)用，并對(duì)這三種組件的軍事通信應(yīng)用技術(shù)可行性進(jìn)行了探討，給出了應(yīng)用示例。

 

本文第一部分介紹并評(píng)估RF MEMS開關(guān)以及實(shí)現(xiàn)所需要的RF的設(shè)計(jì)要求，這里主要關(guān)注RF MEMS開關(guān)構(gòu)成和RF性能方面的先進(jìn)性，因?yàn)樗鼈儗⒃谖磥硗ㄐ蓬I(lǐng)域，特別是軍事通信領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

 

第二部分主要關(guān)注能量收集器在IoT中的應(yīng)用，主要討論熱電能量發(fā)生器（TEG）設(shè)備。熱電能量收集器指的是那些可以用收集到的微量的浪費(fèi)熱量來產(chǎn)生可使用電能的設(shè)備，該轉(zhuǎn)化的電能反過來可以應(yīng)用在設(shè)備上。無論是軍用還是民用通信設(shè)備，熱-電能量發(fā)生器的優(yōu)勢(shì)適合于一些不便接受或更換的場(chǎng)景，因此在軍事通信裝備中將有廣闊應(yīng)用的可能。

 

第三部分將介紹RF表面聲波（SAW）濾波器的技術(shù)和應(yīng)用。這些叉指式換能器（IDT）內(nèi)容的介紹將主要針對(duì)射頻前端接收的無源MEMS諧振器及搭建成的多級(jí)SAW濾波器，目前這種濾波器已開始在軍事通信領(lǐng)域展露出相關(guān)應(yīng)用。

 

最后，本文分別對(duì)三種組件的技術(shù)局限或應(yīng)用瓶頸，以及它們?cè)诠に嚭凸こ掏茝V中存在的困難和不足，進(jìn)行分析和介紹，并對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)。

 

1 射頻微機(jī)電系統(tǒng)（RF MEMS）

 

過去，MEMS開關(guān)一致被認(rèn)為是性能有限的機(jī)電繼電器的優(yōu)越替代品，憑借易于使用、損耗最小、線性度好、隔離度高、可靠性高的優(yōu)勢(shì)，從0 Hz到數(shù)百GHz的小型開關(guān)，一經(jīng)問世就改變了許多電子設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方法，尤其在電子測(cè)量、國(guó)防軍事和健康監(jiān)護(hù)等行業(yè)設(shè)備中形成了規(guī)模應(yīng)用。

 

RF MEMS器件是MEMS與射頻技術(shù)相結(jié)合的一類器件，具有體積小、易集成、功耗低、可靠性高、Q值高等優(yōu)點(diǎn)，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)無線通信設(shè)備中的半導(dǎo)體器件，既可以器件配裝電路，如MEMS開關(guān)、MEMS電容、MEMS諧振器，也可以集成到同一芯片組成組件和模塊，如濾波器、VCO、RF MEMS移相器。將來很長(zhǎng)一段時(shí)間，功率半導(dǎo)體器件（也被稱為第三代半導(dǎo)體器件），會(huì)成為電子設(shè)備尤其是功率電子設(shè)備的主要發(fā)展方向。目前在軍事通信設(shè)備領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)功率器件和MEMS器件進(jìn)行組合，相對(duì)于原先以晶體集成電路加功率放大電路的組合，正慢慢開始替代升級(jí)，成為通信設(shè)備、光電、雷達(dá)配套組件電路設(shè)計(jì)中的一種新思路。RF MEMS開關(guān)和IGBT器件的結(jié)合，在對(duì)功率和高頻同時(shí)具有高指標(biāo)和高可靠性要求的場(chǎng)合，具有革命性的意義，如應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)天線的T/R模塊，其性能對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)應(yīng)用具有深遠(yuǎn)影響。

 

（1）主動(dòng)開放式MEMS

 

這里介紹一型DC（K波段）0 Hz~26 GHz且超長(zhǎng)使用壽命的單刀雙擲（SPDT）MEMS開關(guān)，與集成驅(qū)動(dòng)電路配合使用，技術(shù)成熟度較高，已在多個(gè)工程型號(hào)中應(yīng)用。該開關(guān)在26 GHz時(shí)具有1 dB的插入損耗和23dB的阻斷隔離。MEMS開關(guān)可實(shí)現(xiàn)的射頻特性非常適合5G和毫米波軍事通信設(shè)備，因?yàn)樗鼈兊钠骷蔷€性特性非常明顯，且具有低損耗和高帶寬，這幾乎是為軍事通信裝備量身定做的，很容易滿足電路的功率要求。ADI公司的一型5G通信MEMS開關(guān)，技術(shù)指標(biāo)就達(dá)到了69 dBm的IIP3線性度且在大于36dBm的功率下正常工作的水平。

 

圖1展示了主動(dòng)開放式MEMS裝置的三維表示以及其對(duì)應(yīng)的SEM顯微照片圖像。兩個(gè)柵電極分別位于光束的后部和前部，通過向相應(yīng)的控制電極施加適當(dāng)電壓，使光束閉合和靜電打開。該MEMS開關(guān)管芯使用高電阻率硅晶片構(gòu)造，該硅晶片在二氧化硅電介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)多晶硅、鋁和鎢的CMOS兼容互聯(lián)，以形成開關(guān)器件的電互連。然后使用特殊的不粘接觸金屬和鍍金工藝，將開關(guān)裝置在該電介質(zhì)的頂部進(jìn)行微機(jī)械加工，隨后使用金屬犧牲層釋放金屬，最后再使用晶片級(jí)密封玻璃蓋將開關(guān)封裝在硅外殼中。

 

圖1 主動(dòng)開放式MEMS開關(guān)的SEM顯微照片及封裝形式圖

 

（2）MEMS性能

 

如圖1所示，通過最小化引線鍵合電感，我們可以在塑料封裝中實(shí)現(xiàn)26 GHz的RF帶寬。與此同時(shí)，我們需要使用多個(gè)并聯(lián)引線鍵合將其值降到約300 pH，并配置裝置設(shè)計(jì)以盡可能縮短引線的跨度。然后我們?cè)贛EMS芯片上產(chǎn)生調(diào)諧匹配電容（約120 fF），同時(shí)與引線鍵合產(chǎn)生50 ?的匹配電阻，從而最大限度地減少反射和回波損失。接下來，利用式（1）來計(jì)算所需要的匹配電容值，利用式（2）計(jì)算出由引線鍵合與焊盤處的匹配電容產(chǎn)生的LC諧振器的截止頻率為26.48 GHz。

 

 

器件的隔離標(biāo)準(zhǔn)由開關(guān)的輸入到輸出電容決定，它由開關(guān)級(jí)的三個(gè)主要元件組成：從尖端到漏極觸點(diǎn)的電容、從光束到漏極區(qū)域的電容，以及從源極區(qū)域到漏極通過襯底的電容。在此基礎(chǔ)上，我們需要盡力使得所有這些電容最小化來達(dá)到5 fF以及更小的參數(shù)級(jí)別。式（3）用來計(jì)算在給定感興趣頻率f下電容器的電阻電抗（XC），其中C是開關(guān)的關(guān)斷狀態(tài)電容。式（4）可以用來計(jì)算以來于電抗器件的傳輸系數(shù)（斷開隔離）以及系統(tǒng)的特征阻抗。

 

 

圖2給出了不同的電容之間的期望絕緣隔離與頻率之間的關(guān)系圖，可以看出小于4 fF的電容需要在26 GHz處產(chǎn)生25dB的隔離。

 

圖2 不同的電容之間的期望絕緣隔離與頻率之間的關(guān)系圖

 

RF MEMS開關(guān)具有小型化、低成本、低功耗、高度集成化等方面的優(yōu)勢(shì)，逐漸廣泛應(yīng)用于軍民各領(lǐng)域，主要包括移動(dòng)電話、便攜式計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交換。

 

軍用市場(chǎng)因小型化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)RF MEMS器件的需求量日益劇增，如基于MEMS技術(shù)的軍用微型機(jī)器人、軍用微型飛行器和軍用微納衛(wèi)星等。目前，并聯(lián)電容式MEMS開關(guān)已工作到驅(qū)動(dòng)電壓30 V，工作頻率30 GHz的插入損耗小于0.2 dB，隔離度大于40 dB，已可以用于機(jī)載、車載、艦載收發(fā)機(jī)和衛(wèi)星通信終端、北斗導(dǎo)航等軍用通信領(lǐng)域，尤其率先應(yīng)用于信息化作戰(zhàn)指揮、戰(zhàn)場(chǎng)通信、微型化衛(wèi)星通信系統(tǒng)、相控陣?yán)走_(dá)等方面。

 

另外，根據(jù)MEMS開關(guān)不同的特性，將多個(gè)開關(guān)串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)組成一個(gè)開關(guān)模組，具有更高的隔離度和性能。如將電容式開關(guān)并聯(lián)提高可靠性，將開關(guān)級(jí)聯(lián)則可以形成各類移相器；通過設(shè)置開關(guān)數(shù)量改變相移的步進(jìn)，通過控制開關(guān)通斷實(shí)現(xiàn)相移；通過利用MEMS開關(guān)控制信號(hào)傳輸?shù)耐〝嗫蓪?shí)現(xiàn)濾波器的模擬和數(shù)字可調(diào)；把MEMS開關(guān)按相控陣天線的布局方式組合形成一個(gè)可重構(gòu)天線，通過控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)可使天線實(shí)現(xiàn)在不同頻率和工作模式中切換，可應(yīng)用于對(duì)不同工作頻率（覆蓋不同頻率的無線通信局域網(wǎng)）、波束波形（雷達(dá)陣列天線）和工作模式（如自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)）有特殊需求的軍事裝備等等。

 

2 熱-電能量收集器

 

MEMS技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一是微能源技術(shù)。熱－電能量收集器指的是那些可以用收集到的微量的浪費(fèi)熱量來產(chǎn)生可使用電能的設(shè)備。可用于能量采集的熱能主要包括溫度梯度和熱流，對(duì)應(yīng)的能量采集器被稱為溫差電池或熱電發(fā)電機(jī)，是一種基于熱電效應(yīng)（或稱為塞貝克效應(yīng)），利用溫度差異使熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。溫差電池的材料主要有金屬和半導(dǎo)體兩種，后者的熱電效應(yīng)較強(qiáng)。熱電效應(yīng)強(qiáng)弱對(duì)應(yīng)著熱－電能轉(zhuǎn)化效率的高低。微型熱－電發(fā)電機(jī)最成功的應(yīng)用當(dāng)屬日本精工的熱電腕式手表，該手表使用10個(gè)熱電模塊采集人體－環(huán)境之間的溫度差，并轉(zhuǎn)換成微瓦量級(jí)能量驅(qū)動(dòng)手表運(yùn)動(dòng)。

 

物聯(lián)網(wǎng)中最需要的是大量傳感器，將態(tài)勢(shì)、將能量、信息進(jìn)行傳輸、收集，以匯總、分析或幫助判斷產(chǎn)生指令，傳感器的類型越多，功能越強(qiáng)大，物聯(lián)網(wǎng)的作用和效果就越好。面向物聯(lián)網(wǎng)射頻收發(fā)組件自供電低功耗熱電－光電集成微型傳感器結(jié)構(gòu)方案中，熱－電－光集成微型能量收集器作為能量轉(zhuǎn)換單元，可同時(shí)收集射頻功率放大器工作中耗散的熱能和環(huán)境中的光能，收集的電能能夠?yàn)樯漕l收發(fā)組件自身的低功耗模塊（LNA）或微波信號(hào)檢測(cè)器等構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)供電，實(shí)現(xiàn)傳感系統(tǒng)的自供電或能量自主。

 

熱－電能量收集器能夠?qū)⒆陨淼墓╇娤到y(tǒng)應(yīng)用到傳感器上并將它們使用在一些不太容易接近的場(chǎng)景中，同時(shí)還能省卻更換電池的環(huán)節(jié)費(fèi)用和降低維護(hù)成本。作為“零腳傳感器”終極設(shè)計(jì)目標(biāo)的一部分，其目的是從大約10℃的溫度下降中產(chǎn)生足夠的功率（約400 μW）來為無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電。在某些特殊領(lǐng)域，傳感器節(jié)點(diǎn)所需要的所有功率是通過將節(jié)點(diǎn)安裝到加熱表面（如泵、馬達(dá)、熱水器、管道）上，通過吸收環(huán)境的熱能而產(chǎn)生電能為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)傳感器供電，而實(shí)現(xiàn)無線供電、無限運(yùn)行時(shí)間的目的。

 

這里介紹一種通過貝塞克效應(yīng)將廢熱轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，當(dāng)熱電－光電集成微型能量收集器兩端加載10 K的溫差時(shí)，1 cm 2的芯片可輸出0.6 μW的功率，其結(jié)構(gòu)原理如圖3。

 

圖3 熱電能量轉(zhuǎn)化器原理圖

 

在智能化和信息化的今天，節(jié)點(diǎn)傳感器的功耗可以通過組件以及數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸模式進(jìn)行適時(shí)調(diào)整和優(yōu)化，也就是說，熱－電能量收集器可以實(shí)現(xiàn)一定的自適應(yīng)調(diào)整功能，融入低能耗、能耗管理功能，優(yōu)化調(diào)整集電供電方式，以適應(yīng)用電單元或監(jiān)測(cè)模塊的用電需求，使模塊工作時(shí)間更長(zhǎng)狀態(tài)或設(shè)備更易被監(jiān)控。

 

事實(shí)上，目前軍用市場(chǎng)對(duì)能量收集器這一新技術(shù)的需求也逐漸升溫，熱電能量收集器應(yīng)用主要集中于作戰(zhàn)飛機(jī)和直升機(jī)的健康和使用監(jiān)控系統(tǒng)（HUMS），減小功率器件損耗，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，有效降低了事故率，增加了安全性，減小了使用維護(hù)費(fèi)用，具有十分重要的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。未來，熱－電能量收集器可用于裝備共形相控陣列的飛機(jī)上，如安裝在飛機(jī)機(jī)翼的非維護(hù)部位，一方面由于射頻發(fā)射機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，以及飛機(jī)飛行中存在顯著的熱對(duì)流，為熱－電發(fā)電收集提供了理想熱源；另一方面，飛機(jī)高空飛行時(shí)陽(yáng)光更加充足，微型光電發(fā)電機(jī)的輸出效能可觀。熱電－光電能量收集器不僅可為射頻收發(fā)組件的自身低功耗模塊（LNA）或監(jiān)控發(fā)射功率、諧波失真的微波信號(hào)檢測(cè)器供電，實(shí)現(xiàn)面向射頻收發(fā)組件自供電/低功耗熱電－光電集成傳感系統(tǒng)，還可以為其他多種類型的無線低功耗傳感器（比如無線式氣壓傳感器、溫度傳感器、雨量傳感器以及風(fēng)向/速度傳感器等）節(jié)點(diǎn)供電，用于檢測(cè)飛機(jī)表面環(huán)境，引導(dǎo)飛機(jī)航行和情報(bào)數(shù)據(jù)的采集。其實(shí)，不僅限于熱－電轉(zhuǎn)換，微能源可來源于熱-電、光-電、機(jī)械-電、電磁-電等多種能量轉(zhuǎn)換方式，集成化、多樣化的微型能量發(fā)電機(jī)將會(huì)具有廣闊而光明的應(yīng)用前景。

 

3 RF SAW濾波器（射頻聲表面波濾波器）

 

射頻干擾一直是通信產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的天敵，需要防范隔離來自設(shè)備自身及外界的多源干擾。射頻濾波器將通信設(shè)備發(fā)射和接收的無線電信號(hào)從不同頻段中分離出來，其中SAW因低插損和良好的抑制能力，且被制作在芯片上，而天然具有一系列優(yōu)勢(shì)，包括電/機(jī)或機(jī)/電的能量轉(zhuǎn)換效率極高、發(fā)射/接收隔離度好、高頻選擇性好、品質(zhì)因數(shù)高（個(gè)別產(chǎn)品大于5000）、較低的插損（1~3 dB）、溫度穩(wěn)定性好。溫度漂移小于10 ppm/ ℃。目前主要應(yīng)用在無源或低輻照的RF喚醒系統(tǒng)，例如醫(yī)療保健行業(yè)的遙測(cè)等，該喚醒系統(tǒng)還可以與無線收發(fā)器、傳感器系統(tǒng)集成共同封裝，與基于占空比的喚醒系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可以通過降低功耗來最大化電池壽命。

 

目前，在新一代通信產(chǎn)品開發(fā)中，采用MEMS RF濾波器將首先設(shè)置接收器的選擇性，這需要選擇具有低插入損耗、低溫度系數(shù)和高頻選擇性好的無源濾波器。從設(shè)計(jì)角度盾，RF SAW濾波器完全滿足較高的Q值以及低插入損耗諧振器的要求，能極大提升RF MEMS濾波器性能。

 

圖4所示的結(jié)構(gòu)是一種用于北斗導(dǎo)航通信設(shè)備的IDT TC-SAW（叉指換能結(jié)構(gòu)溫度補(bǔ)償聲表波）諧振器器件結(jié)構(gòu)，它采用了6級(jí)諧振器串并聯(lián)而構(gòu)成了梯形結(jié)構(gòu)的濾波器，可以滿足北斗導(dǎo)航下行2492 MHz濾波器的設(shè)計(jì)需求。圖5結(jié)構(gòu)的SAW濾波器，經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試和工程驗(yàn)證，性能測(cè)試結(jié)果見表1～表3，類似結(jié)構(gòu)形式也可用于其他型號(hào)設(shè)備。

 

圖4 SAW諧振器結(jié)構(gòu)圖

 

圖5 SAW濾波器結(jié)構(gòu)圖以及不同壓電材料的濾波器頻率響應(yīng)

 

表1 諧振器結(jié)構(gòu)參數(shù)

 

表2 SAW濾波器基本參數(shù)

 

表3 聲表濾波器常溫測(cè)試結(jié)果（23 ℃）

 

RF SAW濾波器通過調(diào)節(jié)諧振器參數(shù)可獲得不同情況下SAW諧振器的性能，比如擁有較高機(jī)電耦合系數(shù)值K2的壓電材料，就可以實(shí)現(xiàn)更高帶寬，通過調(diào)節(jié)電路的靜態(tài)電容比Cop/Cos或在電路中串/并聯(lián)加入新的諧振器等方法，可以改進(jìn)濾波器電路的頻率響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)擁有寬帶、高抑制、低插損和高陡峭度的SAW濾波器。而RF SAW濾波器在設(shè)計(jì)上的主要特點(diǎn)是設(shè)計(jì)靈活性大、模/數(shù)兼容、頻率選擇性好、傳輸損耗小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、可靠性高、體積小重量輕等。這些特點(diǎn)正適應(yīng)了現(xiàn)代通信設(shè)備輕薄化、數(shù)字化、高性能、高可靠等方面要求，在軍事領(lǐng)域中RF SAW濾波器主要應(yīng)用于跳/擴(kuò)頻通信、脈沖壓縮雷達(dá)、電子對(duì)抗和遙感導(dǎo)航等。

 

4 總結(jié)

 

本文概述了三種用于實(shí)施5G生態(tài)系統(tǒng)和擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)的模組件技術(shù)特點(diǎn)，并重點(diǎn)介紹了RF MEMS開關(guān)的技術(shù)特點(diǎn)。它不僅可以支持?jǐn)?shù)據(jù)測(cè)量，并且在毫米波工作頻段具有低插入損耗的特點(diǎn)和出色的射頻控制性能，這樣的參數(shù)性能對(duì)于軍事通信裝備非常適用。但同時(shí)，RF MEMS器件也存在技術(shù)難點(diǎn)，如：受加工工藝約束，性能穩(wěn)定性不夠好；可靠性受材料和環(huán)境的影響大，目前壽命參數(shù)的穩(wěn)定性還需要提高；器件封裝質(zhì)量對(duì)性能的影響目前是工程化應(yīng)用的瓶頸；驅(qū)動(dòng)電壓通常較高（ 30~80 V ），在處理大功率的射頻信號(hào)時(shí)容易導(dǎo)致失效。如果工程化可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)，那這些性能優(yōu)異、價(jià)格適中、可靠性穩(wěn)定性高的RF MEMS通信組件，必將在下一代軍事通信領(lǐng)域大放光彩。

 

另外，本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的熱電能量收集器以及健康監(jiān)測(cè)等應(yīng)用，也有一定的技術(shù)瓶頸。在目前技術(shù)下，受材料特性的局限，光-電收集和轉(zhuǎn)化效能輸出高于熱－電效應(yīng)。另外，DC-DC轉(zhuǎn)換是實(shí)現(xiàn)熱－電集成微型能量收集器對(duì)外輸出功率的必要環(huán)節(jié)，對(duì)微型熱電式發(fā)電機(jī)來說，輸出的電壓都明顯小于常見器件的供電電壓，需要通過DC-DC電路對(duì)它們的輸出升壓后，再為電池充電。但即便如此，基于MEMS技術(shù)的熱/光－電發(fā)電機(jī)等微能源技術(shù)，必將是未來低功耗器件的理想解決方案。

 

最后，本文介紹了RF SAW濾波器的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用，以及當(dāng)前面對(duì)工程應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)和局限性，RF SAW諧振器因其無源和良好射頻特性，高Q值和低插損等特點(diǎn)，都非常適合于軍事通信設(shè)備的射頻接收前端。不過，目前RF SAW濾波器也存在技術(shù)上的不成熟和短板，一是目前技術(shù)上適合于3 GHz工作頻率以下，如頻率過高則其基片材料剛度變小、聲速會(huì)降低，其性能特性受溫度變化的影響會(huì)大幅惡化；二是基片的定向、切割、研磨、拋光等制造工藝復(fù)雜，對(duì)設(shè)備的精度和工藝要求高，且投入大；三是所需材料價(jià)格昂貴，成本過高，產(chǎn)品特性與軍事裝備可靠性要求還有一定差距。一旦將來材料工藝和高頻段應(yīng)用等技術(shù)難點(diǎn)攻克，它將會(huì)廣泛應(yīng)用于未來軍事通信設(shè)備的射頻接收。

 

本文內(nèi)容轉(zhuǎn)載自《現(xiàn)代導(dǎo)航》2020年第6期，版權(quán)歸《現(xiàn)代導(dǎo)航》編輯部所有。

 

 

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