基于MEMS技術移動電話射頻設計

　如果一款移動電話設計要能實現(xiàn)未來用戶所期望的各項廣泛服務，創(chuàng)造性思維是不可或缺的；而許多產業(yè)觀察者認為，微機電系統(tǒng)（MEMS）將是實現(xiàn)這種設計的下一波技術。

　　事實上，MEMS元件的推出已證實了其在大量消費性市場應用中的實用性，例如麥克風和游戲機等。我們似乎可以歸納出一個結論：未能整合MEMS功能的系統(tǒng)就不算完整。因此，MEMS遂成為每一系統(tǒng)在實現(xiàn)其功能、彈性以及與外界互連時不可或缺的新類比元件。

　　雖然摩爾定律描述了電晶體密度和運算能力的進展，但MEMS的整合將以較其更多倍的速度進展，并將許多原先需要混合建置的功能直接整合在晶片上。

　　射頻（RF）設計目前最強大的趨勢是推動可配置/免頻帶的無線和天線設計。使RF元件可以數(shù)位化重新配置的優(yōu)點與需求逐漸增加，因此能夠精確且數(shù)位化地控制頻率和阻抗值，并持續(xù)對系統(tǒng)性能進行最佳化。這種可配置的前端可在瞬間實現(xiàn)頻率和通訊標準的切換，同時重復使用相同的信號路徑。

　　WiSpry 公司藉由結合MEMS技術和主流半導體製程技術，打造出一款具有即時數(shù)位可調且具成本效益的低損耗RF電容器，實現(xiàn)了動態(tài)RF技術──真正的軟體定義無線電，其RF前端可透過基頻進行數(shù)位化控制，且所有特殊標準功能都以數(shù)位信號處理（DSP）編程方式載入。一旦前端成為數(shù)位可調式，大多數(shù)的RF工程作業(yè)就可以轉向軟體部份，因而大幅減少硬體設計/再設計的數(shù)量和成本，并縮短手動調整電路所花的時間。

　　可編程前端RF可在多個平臺上使用，且由于新的響應可被載入到平臺的韌體中，因此它甚至可以提供一些‘未來驗證標準’。

　　圖1：未能整合MEMS功能的系統(tǒng)，似乎已稱不上是一完整的系統(tǒng)

　　無線標準

　　目前，大多數(shù)無線標準在頻譜分配方案規(guī)定的頻段內，采用兩種頻率光罩來進行數(shù)據的傳送和接收──也稱為頻率雙工。由于頻譜分配存在地區(qū)性差異，加上全球彼此競爭的無線通訊標準數(shù)量龐大且快速革新，使得全球移動電話平臺必須支援的頻率數(shù)量倍增。盡可能有效地利用無線頻譜，以及使用從前未用到的頻譜來支援新服務，也在在引領頻率雙工的趨勢發(fā)展。

　　然而，為了能夠接取到無線網路，各個裝置必須實現(xiàn)的技術需求始終如一。事實上，用于RF前端的高性能硬體方案必須能夠提供必要的選擇性、線性度和隔離，同時對電路的插入損耗和功耗要求最小化。

　　一個典型的例子是為整合了7個頻段于一支手機中，至少需要5個獨立的RF元件組（鏈），其中包括多個天線，另外還需要8擲或更高階以上的開關用來選擇所需的執(zhí)行頻段。

　　當首款移動電話問世，當時還只是采用單頻的無線設計，但手機用戶對于能夠遠離座位撥打電話已感到相當興奮，而RF設計人員也只需考慮單一的頻率設計。

　　然而，隨著技術的快速進展，為了支援暴增的手機用戶，雙頻手機頓時成了必備的功能。當用戶開始攜帶手機旅行后，三頻、四頻和五頻的手機設計隨即成為一般的功能需求，并為設計人員增添了更多困擾。

　　隨著更多頻段的增加，更多的RF設計途徑變得越來越難以解決各項衍生出來的問題。體積、成本和復雜性的增加都還算是這些問題中最為簡單的。

　　頻段覆蓋范圍是以趨近線性的速度而增加。首先，隨著交換式解決方案隨著射程數(shù)增加而持續(xù)改善，它以一種次線性的速度發(fā)展；其次，如同先前所述，每一代技術的進展都不斷促使每一頻段元件體積縮小且成本降低；再者，許多個別元件如今都被整合成模組，雖然減少了開銷，但根本問題并未獲得解決。

　　如今，越來越多移動電話產業(yè)均體認到，單單沿用這個方案是無法解決問題的。除了復雜性、尺寸和成本問題外，多鏈路方案還會加重基礎性能的限制。

　　每一鏈路所對應的頻段或多或少有一些不同的阻抗特性。如果每一鏈路都有獨立的天線，整體鏈路便可以得到最佳化。然而，單獨的天線既占空間、成本又高，而且具有顯著的交叉藕合特性，因此，多條鏈路被迫以開關和濾波器結合成單一通道。

　　由于在共用電路時可能造成折衷，即使采用完美的開關，在加入新頻段時還要保持所有頻段的高性能也愈趨困難。

　　另外，由于鏈路中的每個元件都有其特殊的固定頻率響應，因此僅能實現(xiàn)次佳化的頻帶邊緣性能。

　　單鏈路解決方案

　　如果采用可調式的RF前端元件，那麼上述所有問題都可以避免，特別是針對目前所使用的通道可進行單鏈路最佳化。

　　單鏈路方案的好處正獲得廣泛的認同，但在其建置過程依舊面臨挑戰(zhàn)。

　　可調式前端元件的研究已發(fā)展了數(shù)十年，但這項必備的技術直到目前才逐漸成熟。傳統(tǒng)的問題主要出在尺寸、成本、可重復性、可靠性和性能方面，各個問題在早期也都獲得部份的解決；然而WiSpry公司首度為市場帶來完整的解決方案，并適用于低成本的量產市場。
WiSpry公司率先將高Q值（high-Q）MEMS電容器元件整合到主流RF CMOS制程技術中，實現(xiàn)了大量生產、低成本制程以及高性能RF MEMS技術的優(yōu)勢。

　　個別的電容器元件以具有數(shù)位可變氣隙的微小平行排列電容整合在晶片上。個別旁路或串列元件整合為電容值單元，接著形成可包含任一獨立單元組合的陣列，最終形成了具有良好電器特性的數(shù)位化電容器；其電容值比（最大/最?。┏^10且Q值在1GHz時超過200以上。

　　該元件的制造得益于CMOS半導體制程技術的最新進展。WiSpry公司正使用一種無晶圓制程模式，在可大量生產的主流8吋RF CMOS晶圓上，以單晶片整合可編程數(shù)位化電容器技術，因而免除了傳統(tǒng)高性能MEMS技術上因尺寸和成本帶來的困擾。

　　該制程流程還包含晶圓級封裝，讓代工廠提供的晶圓成品可在傳統(tǒng)的自動化后端處理過程（如凸點制作、薄化、切片、封裝和測試）中直接使用，而使得高可靠性的終端產品制造可藉由傳統(tǒng)RF半導體制程來實現(xiàn)。

　　圖2：個別旁路或串列元件整合為電容值單元，接著形成可包含任一獨立單元組合的陣列，最終形成了具有良好電器特性的數(shù)位化電容器；其電容值比（最大/最小）超過10且Q值在1GHz時超過200以上。

　　無需外部電路

　　那么這些元件是如何執(zhí)行的？設計人員又如何使用這項技術呢？

　　由于這些元件的性能如同一個整合串列介面的high-Q電容器一樣，因此不需要外部電路。所有支援MEMS單元的功能都被整合在晶片上。

　　透過串列匯流排載入一個包含數(shù)位化電容器單元所需設置的數(shù)位字元后，內部邏輯和驅動電路將會立即使電容值設置為特定值。

　　這種編程能在高速下重復設置，以制作出大量應用中所需的動態(tài)RF功能。

　　隨著可編程晶片與其他高Q值的被動、主動元件及支援電路被整合成客制化模組，WiSpry公司也將利用所產生的平臺為完整的RF前端提供可編程特性。

　　這項工作將從具有頻率可變和失配調整功能的天線開始著手，接著RF鏈路上的其他問題也將迎刃而解。