利用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)電話射頻設(shè)計(jì)

如果一款移動(dòng)電話設(shè)計(jì)要能實(shí)現(xiàn)未來用戶所期望的各項(xiàng)廣泛服務(wù)，創(chuàng)造性思維是不可或缺的；而許多產(chǎn)業(yè)觀察者認(rèn)為，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)將是實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)的下一波技術(shù)。

事實(shí)上，MEMS元件的推出已證實(shí)了其在大量消費(fèi)性市場應(yīng)用中的實(shí)用性，例如麥克風(fēng)和游戲機(jī)等。我們似乎可以歸納出一個(gè)結(jié)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(shí)現(xiàn)其功能、彈性以及與外界互連時(shí)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(yùn)算能力的進(jìn)展，但MEMS的整合將以較其更多倍的速度進(jìn)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(shè)計(jì)目前最強(qiáng)大的趨勢是推動(dòng)可配置/免頻帶的無線和天線設(shè)計(jì)。使RF元件可以數(shù)位化重新配置的優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行最佳化。這種可配置的前端可在瞬間實(shí)現(xiàn)頻率和通訊標(biāo)準(zhǔn)的切換，同時(shí)重復(fù)使用相同的信號路徑。

WiSpry公司藉由結(jié)合MEMS技術(shù)和主流半導(dǎo)體製程技術(shù)，打造出一款具有即時(shí)數(shù)位可調(diào)且具成本效益的低損耗RF電容器，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)RF技術(shù)──真正的軟體定義無線電，其RF前端可透過基頻進(jìn)行數(shù)位化控制，且所有特殊標(biāo)準(zhǔn)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(diào)式，大多數(shù)的RF工程作業(yè)就可以轉(zhuǎn)向軟體部份，因而大幅減少硬體設(shè)計(jì)/再設(shè)計(jì)的數(shù)量和成本，并縮短手動(dòng)調(diào)整電路所花的時(shí)間。

可編程前端RF可在多個(gè)平臺上使用，且由于新的響應(yīng)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(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)’。

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(biāo)準(zhǔn)

目前，大多數(shù)無線標(biāo)準(zhǔn)在頻譜分配方案規(guī)定的頻段內(nèi)，采用兩種頻率光罩來進(jìn)行數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)數(shù)量龐大且快速革新，使得全球移動(dòng)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(wù)，也在在引領(lǐng)頻率雙工的趨勢發(fā)展。

然而，為了能夠接取到無線網(wǎng)路，各個(gè)裝置必須實(shí)現(xiàn)的技術(shù)需求始終如一。事實(shí)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(shí)對電路的插入損耗和功耗要求最小化。

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

當(dāng)首款移動(dòng)電話問世，當(dāng)時(shí)還只是采用單頻的無線設(shè)計(jì)，但手機(jī)用戶對于能夠遠(yuǎn)離座位撥打電話已感到相當(dāng)興奮，而RF設(shè)計(jì)人員也只需考慮單一的頻率設(shè)計(jì)。

然而，隨著技術(shù)的快速進(jìn)展，為了支援暴增的手機(jī)用戶，雙頻手機(jī)頓時(shí)成了必備的功能。當(dāng)用戶開始攜帶手機(jī)旅行后，三頻、四頻和五頻的手機(jī)設(shè)計(jì)隨即成為一般的功能需求，并為設(shè)計(jì)人員增添了更多困擾。

隨著更多頻段的增加，更多的RF設(shè)計(jì)途徑變得越來越難以解決各項(xiàng)衍生出來的問題。體積、成本和復(fù)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(shù)的進(jìn)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(gè)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(dòng)電話產(chǎn)業(yè)均體認(rèn)到，單單沿用這個(gè)方案是無法解決問題的。除了復(fù)雜性、尺寸和成本問題外，多鏈路方案還會(huì)加重基礎(chǔ)性能的限制。

每一鏈路所對應(yīng)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(dú)立的天線，整體鏈路便可以得到最佳化。然而，單獨(dú)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(guān)和濾波器結(jié)合成單一通道。

由于在共用電路時(shí)可能造成折衷，即使采用完美的開關(guān)，在加入新頻段時(shí)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(gè)元件都有其特殊的固定頻率響應(yīng)，因此僅能實(shí)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(diào)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(jìn)行單鏈路最佳化。

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

可調(diào)式前端元件的研究已發(fā)展了數(shù)十年，但這項(xiàng)必備的技術(shù)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(fù)性、可靠性和性能方面，各個(gè)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(chǎn)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(shù)中，實(shí)現(xiàn)了大量生產(chǎn)、低成本制程以及高性能RF MEMS技術(shù)的優(yōu)勢。

個(gè)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(gè)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(dú)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(shí)超過200以上。

該元件的制造得益于CMOS半導(dǎo)體制程技術(shù)的最新進(jìn)展。WiSpry公司正使用一種無晶圓制程模式，在可大量生產(chǎn)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(shù)，因而免除了傳統(tǒng)高性能MEMS技術(shù)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(dòng)化后端處理過程(如凸點(diǎn)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(chǎn)品制造可藉由傳統(tǒng)RF半導(dǎo)體制程來實(shí)現(xiàn)。

圖2：個(gè)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(dú)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(shí)超過200以上。

無需外部電路

那麼這些元件是如何執(zhí)行的？設(shè)計(jì)人員又如何使用這項(xiàng)技術(shù)呢？

由于這些元件的性能如同一個(gè)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(gè)包含數(shù)位化電容器單元所需設(shè)置的數(shù)位字元后，內(nèi)部邏輯和驅(qū)動(dòng)電路將會(huì)立即使電容值設(shè)置為特定值。

這種編程能在高速下重復(fù)設(shè)置，以制作出大量應(yīng)用中所需的動(dòng)態(tài)RF功能。

隨著可編程晶片與其他高Q值的被動(dòng)、主動(dòng)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(chǎn)生的平臺為完整的RF前端提供可編程特性。

這項(xiàng)工作將從具有頻率可變和失配調(diào)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。