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利用MEMS技术实现移动电话射频设计
作者：RFID世界网 收编
来源：电子工程专辑
日期：2010-12-20 16:13:57
摘要：射频(RF)设计目前最强大的趋势是推动可配置/免频带的无线和天线设计。使RF元件可以数位化重新配置的优点与需求逐渐增加，因此能够精确且数位化地控制频率和阻抗值，并持续对系统性能进行最佳化。
如果一款移动电话设计要能实现未来用户所期望的各项广泛服务，创造性思维是不可或缺的；而许多产业观察者认为，微机电系统(MEMS)将是实现这种设计的下一波技术。
事实上，MEMS元件的推出已证实了其在大量消费性市场应用中的实用性，例如麦克风和游戏机等。我们似乎可以归纳出一个结论：未能整合MEMS功能的系统就不算完整。因此，MEMS遂成为每一系统在实现其功能、弹性以及与外界互连时不可或缺的新类比元件。
虽然摩尔定律描述了电晶体密度和运算能力的进展，但MEMS的整合将以较其更多倍的速度进展，并将许多原先需要混合建置的功能直接整合在晶片上。
射频(RF)设计目前最强大的趋势是推动可配置/免频带的无线和天线设计。使RF元件可以数位化重新配置的优点与需求逐渐增加，因此能够精确且数位化地控制频率和阻抗值，并持续对系统性能进行最佳化。这种可配置的前端可在瞬间实现频率和通讯标准的切换，同时重复使用相同的信号路径。
WiSpry公司藉由结合MEMS技术和主流半导体製程技术，打造出一款具有即时数位可调且具成本效益的低损耗RF电容器，实现了动态RF技术──真正的软体定义无线电，其RF前端可透过基频进行数位化控制，且所有特殊标准功能都以数位信号处理(DSP)编程方式载入。一旦前端成为数位可调式，大多数的RF工程作业就可以转向软体部份，因而大幅减少硬体设计/再设计的数量和成本，并缩短手动调整电路所花的时间。
可编程前端RF可在多个平台上使用，且由于新的响应可被载入到平台的韧体中，因此它甚至可以提供一些‘未来验证标准’。
目前，大多数无线标准在频谱分配方案规定的频段内，采用两种频率光罩来进行数据的传送和接收──也称为频率双工。由于频谱分配存在地区性差异，加上全球彼此竞争的无线通讯标准数量庞大且快速革新，使得全球移动电话平台必须支援的频率数量倍增。尽可能有效地利用无线频谱，以及使用从前未用到的频谱来支援新服务，也在在引领频率双工的趋势发展。
然而，为了能够接取到无线网路，各个装置必须实现的技术需求始终如一。事实上，用于RF前端的高性能硬体方案必须能够提供必要的选择性、线性度和隔离，同时对电路的插入损耗和功耗要求最小化。
一个典型的例子是为整合了7个频段于一支手机中，至少需要5个独立的RF元件组(链)，其中包括多个天线，另外还需要8掷或更高阶以上的开关用来选择所需的执行频段。
当首款移动电话问世，当时还只是采用单频的无线设计，但手机用户对于能够远离座位拨打电话已感到相当兴奋，而RF设计人员也只需考虑单一的频率设计。
然而，随著技术的快速进展，为了支援暴增的手机用户，双频手机顿时成了必备的功能。当用户开始携带手机旅行后，三频、四频和五频的手机设计随即成为一般的功能需求，并为设计人员增添了更多困扰。
随著更多频段的增加，更多的RF设计途径变得越来越难以解决各项衍生出来的问题。体积、成本和复杂性的增加都还算是这些问题中最为简单的。
频段覆盖范围是以趋近线性的速度而增加。首先，随著交换式解决方案随著射程数增加而持续改善，它以一种次线性的速度发展；其次，如同先前所述，每一代技术的进展都不断促使每一频段元件体积缩小且成本降低；再者，许多个别元件如今都被整合成模组，虽然减少了开销，但根本问题并未获得解决。
如今，越来越多移动电话产业均体认到，单单沿用这个方案是无法解决问题的。除了复杂性、尺寸和成本问题外，多链路方案还会加重基础性能的限制。
每一链路所对应的频段或多或少有一些不同的阻抗特性。如果每一链路都有独立的天线，整体链路便可以得到最佳化。然而，单独的天线既占空间、成本又高，而且具有显著的交叉藕合特性，因此，多条链路被迫以开关和滤波器结合成单一通道。
由于在共用电路时可能造成折衷，即使采用完美的开关，在加入新频段时还要保持所有频段的高性能也愈趋困难。
另外，由于链路中的每个元件都有其特殊的固定频率响应，因此仅能实现次佳化的频带边缘性能。
单链路解决方案
如果采用可调式的RF前端元件，那麼上述所有问题都可以避免，特别是针对目前所使用的通道可进行单链路最佳化。
单链路方案的好处正获得广泛的认同，但在其建置过程依旧面临挑战。
可调式前端元件的研究已发展了数十年，但这项必备的技术直到目前才逐渐成熟。传统的问题主要出在尺寸、成本、可重复性、可靠性和性能方面，各个问题在早期也都获得部份的解决；然而WiSpry公司首度为市场带来完整的解决方案，并适用于低成本的量產市场。
WiSpry公司率先将高Q值(high-Q)MEMS电容器元件整合到主流RF CMOS制程技术中，实现了大量生產、低成本制程以及高性能RF MEMS技术的优势。
个别的电容器元件以具有数位可变气隙的微小平行排列电容整合在晶片上。个别旁路或串列元件整合为电容值单元，接着形成可包含任一独立单元组合的阵列，最终形成了具有良好电器特性的数位化电容器；其电容值比(最大/最小)超过10且Q值在1GHz时超过200以上。
该元件的制造得益于CMOS半导体制程技术的最新进展。WiSpry公司正使用一种无晶圆制程模式，在可大量生產的主流8吋RF CMOS晶圆上，以单晶片整合可编程数位化电容器技术，因而免除了传统高性能MEMS技术上因尺寸和成本带来的困扰。
该制程流程还包含晶圆级封装，让代工厂提供的晶圆成品可在传统的自动化后端处理过程(如凸点制作、薄化、切片、封装和测试)中直接使用，而使得高可靠性的终端產品制造可藉由传统RF半导体制程来实现。
无需外部电路
那麼这些元件是如何执行的？设计人员又如何使用这项技术呢？
由于这些元件的性能如同一个整合串列介面的high-Q电容器一样，因此不需要外部电路。所有支援MEMS单元的功能都被整合在晶片上。
透过串列汇流排载入一个包含数位化电容器单元所需设置的数位字元后，内部逻辑和驱动电路将会立即使电容值设置为特定值。
这种编程能在高速下重复设置，以制作出大量应用中所需的动态RF功能。
随著可编程晶片与其他高Q值的被动、主动元件及支援电路被整合成客制化模组，WiSpry公司也将利用所產生的平台为完整的RF前端提供可编程特性。
这项工作将从具有频率可变和失配调整功能的天线开始著手，接着RF链路上的其他问题也将迎刃而解。
事实上，MEMS元件的推出已证实了其在大量消费性市场应用中的实用性，例如麦克风和游戏机等。我们似乎可以归纳出一个结论：未能整合MEMS功能的系统就不算完整。因此，MEMS遂成为每一系统在实现其功能、弹性以及与外界互连时不可或缺的新类比元件。
虽然摩尔定律描述了电晶体密度和运算能力的进展，但MEMS的整合将以较其更多倍的速度进展，并将许多原先需要混合建置的功能直接整合在晶片上。
射频(RF)设计目前最强大的趋势是推动可配置/免频带的无线和天线设计。使RF元件可以数位化重新配置的优点与需求逐渐增加，因此能够精确且数位化地控制频率和阻抗值，并持续对系统性能进行最佳化。这种可配置的前端可在瞬间实现频率和通讯标准的切换，同时重复使用相同的信号路径。
WiSpry公司藉由结合MEMS技术和主流半导体製程技术，打造出一款具有即时数位可调且具成本效益的低损耗RF电容器，实现了动态RF技术──真正的软体定义无线电，其RF前端可透过基频进行数位化控制，且所有特殊标准功能都以数位信号处理(DSP)编程方式载入。一旦前端成为数位可调式，大多数的RF工程作业就可以转向软体部份，因而大幅减少硬体设计/再设计的数量和成本，并缩短手动调整电路所花的时间。
可编程前端RF可在多个平台上使用，且由于新的响应可被载入到平台的韧体中，因此它甚至可以提供一些‘未来验证标准’。
图1：未能整合MEMS功能的系统，似乎已称不上是一完整的系统
目前，大多数无线标准在频谱分配方案规定的频段内，采用两种频率光罩来进行数据的传送和接收──也称为频率双工。由于频谱分配存在地区性差异，加上全球彼此竞争的无线通讯标准数量庞大且快速革新，使得全球移动电话平台必须支援的频率数量倍增。尽可能有效地利用无线频谱，以及使用从前未用到的频谱来支援新服务，也在在引领频率双工的趋势发展。
然而，为了能够接取到无线网路，各个装置必须实现的技术需求始终如一。事实上，用于RF前端的高性能硬体方案必须能够提供必要的选择性、线性度和隔离，同时对电路的插入损耗和功耗要求最小化。
一个典型的例子是为整合了7个频段于一支手机中，至少需要5个独立的RF元件组(链)，其中包括多个天线，另外还需要8掷或更高阶以上的开关用来选择所需的执行频段。
当首款移动电话问世，当时还只是采用单频的无线设计，但手机用户对于能够远离座位拨打电话已感到相当兴奋，而RF设计人员也只需考虑单一的频率设计。
然而，随著技术的快速进展，为了支援暴增的手机用户，双频手机顿时成了必备的功能。当用户开始携带手机旅行后，三频、四频和五频的手机设计随即成为一般的功能需求，并为设计人员增添了更多困扰。
随著更多频段的增加，更多的RF设计途径变得越来越难以解决各项衍生出来的问题。体积、成本和复杂性的增加都还算是这些问题中最为简单的。
频段覆盖范围是以趋近线性的速度而增加。首先，随著交换式解决方案随著射程数增加而持续改善，它以一种次线性的速度发展；其次，如同先前所述，每一代技术的进展都不断促使每一频段元件体积缩小且成本降低；再者，许多个别元件如今都被整合成模组，虽然减少了开销，但根本问题并未获得解决。
如今，越来越多移动电话产业均体认到，单单沿用这个方案是无法解决问题的。除了复杂性、尺寸和成本问题外，多链路方案还会加重基础性能的限制。
每一链路所对应的频段或多或少有一些不同的阻抗特性。如果每一链路都有独立的天线，整体链路便可以得到最佳化。然而，单独的天线既占空间、成本又高，而且具有显著的交叉藕合特性，因此，多条链路被迫以开关和滤波器结合成单一通道。
由于在共用电路时可能造成折衷，即使采用完美的开关，在加入新频段时还要保持所有频段的高性能也愈趋困难。
另外，由于链路中的每个元件都有其特殊的固定频率响应，因此仅能实现次佳化的频带边缘性能。
单链路解决方案
如果采用可调式的RF前端元件，那麼上述所有问题都可以避免，特别是针对目前所使用的通道可进行单链路最佳化。
单链路方案的好处正获得广泛的认同，但在其建置过程依旧面临挑战。
可调式前端元件的研究已发展了数十年，但这项必备的技术直到目前才逐渐成熟。传统的问题主要出在尺寸、成本、可重复性、可靠性和性能方面，各个问题在早期也都获得部份的解决；然而WiSpry公司首度为市场带来完整的解决方案，并适用于低成本的量產市场。
WiSpry公司率先将高Q值(high-Q)MEMS电容器元件整合到主流RF CMOS制程技术中，实现了大量生產、低成本制程以及高性能RF MEMS技术的优势。
个别的电容器元件以具有数位可变气隙的微小平行排列电容整合在晶片上。个别旁路或串列元件整合为电容值单元，接着形成可包含任一独立单元组合的阵列，最终形成了具有良好电器特性的数位化电容器；其电容值比(最大/最小)超过10且Q值在1GHz时超过200以上。
该元件的制造得益于CMOS半导体制程技术的最新进展。WiSpry公司正使用一种无晶圆制程模式，在可大量生產的主流8吋RF CMOS晶圆上，以单晶片整合可编程数位化电容器技术，因而免除了传统高性能MEMS技术上因尺寸和成本带来的困扰。
该制程流程还包含晶圆级封装，让代工厂提供的晶圆成品可在传统的自动化后端处理过程(如凸点制作、薄化、切片、封装和测试)中直接使用，而使得高可靠性的终端產品制造可藉由传统RF半导体制程来实现。
无需外部电路
那麼这些元件是如何执行的？设计人员又如何使用这项技术呢？
由于这些元件的性能如同一个整合串列介面的high-Q电容器一样，因此不需要外部电路。所有支援MEMS单元的功能都被整合在晶片上。
透过串列汇流排载入一个包含数位化电容器单元所需设置的数位字元后，内部逻辑和驱动电路将会立即使电容值设置为特定值。
这种编程能在高速下重复设置，以制作出大量应用中所需的动态RF功能。
随著可编程晶片与其他高Q值的被动、主动元件及支援电路被整合成客制化模组，WiSpry公司也将利用所產生的平台为完整的RF前端提供可编程特性。
这项工作将从具有频率可变和失配调整功能的天线开始著手，接着RF链路上的其他问题也将迎刃而解。
