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利用MEMS技术实现的动态射频有望进一步缩小蜂窝电话体积 |
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作者：Marten Seth |
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如果移动电话设计想要支持未来用户期望的所有业务，创造性思维是必不可少的。许多业界观察人士认为，未来支撑技术将基于微电子机械系统(MEMS)设计。
事实上，MEMS设备最近已经在大批量消费类应用中取得成功，例如不同的麦克风和游戏机应用。目前已经到了没有集成MEMS功能的系统就不能算完整的系统的地步。因此MEMS已经成为为每个系统提供强大功能、灵活性并与外界连接所必需拥有的一种新的模拟单元。
摩尔定律描述了晶体管密度和运算能力的进步，而MEMS的集成则加速了这一进步，将原先需要混合实现的许多功能直接集成到芯片上。
目前射频设计中最明显趋势是可配置/频带自由的无线和天线设计。实现数字可配置的射频元件不仅越来越有益，而且越来越必要，因为这样可以实现频率和阻抗值的精确数字化控制，从而不断优化出最佳的系统性能。这种可配置的前端可以真正在眨眼间实现频率和通信标准间的切换，同时重复使用相同的信号通道。
通过整合MEMS技术和主流半导体制造工艺创建出在线数字可调和高性价比的低损耗射频电容单元，WiSpry公司成功开发出了动态射频技术，并以此建立了真正的软件无线电设备。该设备的射频前端可以通过基带实现数字控制，所有特殊标准功能都以DSP程序方式加载。一旦前端电路变成数字可调，许多射频技术工作就可以转移到软件领域，从而极大地减少硬件设计/再设计的数量和成本，缩短人工调整电路所花的时间。
可编程前端可能会被横跨多个平台使用，未来很有发展潜力，因为新的响应可以被加载进平台固件中。
图1：MEMS是一种新的模拟器件；目前已经到了没有集成MEMS功能的系统就不能算完整的系统的地步
多种标准充斥无线领域
目前，大多数无线标准采用两种频率掩模在频谱分配方案规定的频段内进行发送和接收数据——也称为频率双工。由于频谱分配存在地区差异，以及全球竞争性无线通信标准的快速发展和庞大数量，全球蜂窝电话平台必须支持的频率数量呈倍增效应。尽可能高效地使用无线频谱、以及让以前未用的频谱来支持新业务，这些都正在推动该趋势越演越烈。
然而，为了获准进入网络，设备必须满足的技术要求始终没变。事实上，用于射频前端的独立高性能硬件方案要求提供必要的选择性、线性和隔离度，同时尽量减少电路的插入损耗和功耗。
作为一个集成7个频段的手机的典型例子，至少需要5个独立的射频器件组(链)——包括多幅天线在内，另外还需要8掷或8掷以上开关用于选择想要的工作频段。
业界第一个蜂窝电话的无线设计是单频段的，用户对能够远离桌子打电话已经感到很兴奋了。射频设计师在设计时只需考虑一个频率。
然而随着技术的快速进步，为了支持越来越多的用户，双频手机突然变成了必备要求。随着用户开始带着手机旅行，三频、四频和五频手机设计迅速变为常态，从而让设计师愈加头疼。
随着更多频段的加入，附加射频设计的方法逐渐变得无法维持。最简单的问题是体积、成本和复杂性的扩大。
增加频段覆盖率几乎是线性的过程。刚开始是亚线性的，开关式解决方案随着开关掷数的增加得到了持续改进。然后如上所述那样，每一代新技术都使单个频段元件体积不断缩小，成本不断降低。最后，许多单独元件现在都被整合进了模块，虽然减少了开销，但没有解决根本性问题。
如今越来越多蜂窝电话产业中的有识之士认识到，简单地继续沿这条道路是走不通的。除了复杂性、尺寸和成本因素外，多链方案会引起基础性能极限问题。
每条链针对感兴趣的频段总有一些不同的阻抗特性。如果每条链都有一个单独的天线，总链可以得到优化。然而，单独天线方案既占空间，成本又高，并且具有严重的交叉耦合现象。因此，多条链被迫使用开关和滤波器整合为单条通道。
即使采用完美的开关，随着每个新频段的加入，保持所有频段都具有高性能也越来越困难，因为共享电路必须做出一定的折衷。
另外，由于链中的每个器件有其特殊的固定频率响应，频带边沿性能通常不能达到最优。
单链解决方案
如果射频前端器件是可调整的，那么上述所有问题都可以避免，并且可以专门针对目前使用的通道对单链电路进行优化。
单链方案的好处得到了广泛认同，不过实现过程仍面临挑战同样是业界共识。
可调前端器件的研究已经开展了数十年了，但直到现在这种必需的技术才变得成熟。以前的问题主要出在尺寸、成本、可重复性、可靠性和性能方面。每个问题在前期都得到了部分的解决，但只有WiSpry公司才是首次给市场带来了完整的解决方案，这种方案适合大批量生产，而且价格点符合蜂窝电话产业要求。
通过率先将高品质因数(Q值)的MEMS电容单元集成进主流射频CMOS工艺技术，WiSpry公司结合了大批量、低成本工艺的好处以及高性能射频MEMS技术的优势。单独的电容单元以微型并行板电容的方式集成在芯片上，相互间留有数字可调的空气间隙。单独的旁路或串联单元与电容单元组合在一起，形成包含了独立单元的任意组合的阵列，这样就最终形成了性能良好的数字化电容，其电容比(最大/最小)超过10，Q值在1GHz时远在200以上。
该器件的制造受益于CMOS半导体工艺技术的最新进展。WiSpry公司正在使用一种工艺模式，该模式在可以特大批量生产的主流8英寸射频CMOS晶圆上以单片方式集成了可编程的数字电容技术，因而消除了传统意义上与高性能MEMS技术有关的尺寸和成本问题。
该工艺流程还包含了晶圆级封装过程，因此代工厂提供的成品晶圆可在传统的自动化后端处理过程(如冲震、削薄、切片、封装和测试)中直接使用，从而实现采用传统射频半导体制造流程来生产高可靠性最终产品。
图2：单独的旁路或串联单元与电容单元组合在一起并形成阵列，最终产生的数字化电容的电容比(最大/最小)超过10，品质因数(Q值)在1GHz时远在200以上
无需外部电路
那么这些器件如何工作，设计师又需要提供什么才能使用这种技术呢？
由于这些器件实际就像带集成串口的高Q电容那样工作，因此不需要外部电路。针对MEMS单元的所有支持功能都被集成在芯片上。
通过串行总线加载一个包含数字电容单元目标设置值的数字“字”后，内部逻辑和驱动电路会立即将电容组设置成选中的值。
这种编程过程能以高速率重复，从而创建出动态射频功能，这种功能拥有无数有趣的应用。
可编程芯片可以与其它高Q值的集成无源和有源器件及支持电路一起被整合进定制模块中，WiSpry公司利用由此形成的平台向完整的射频前端提供可编程性。
从具有频率捷变功能和失配调整功能的天线开始，工程师能以自然顺序解决射频链上的其余问题。
作者：Marten Seth 产品规划和业务发展总监
Arthur Morris 首席技术官
WiSpry公司
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(10/19/2008) |
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