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位化控制，且所有特殊標準功能都以數位信號處理（DSP）編程方式載入。一旦前端成為數位可調式，大多數的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位化電容器單元所需設置的數位字元后，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。