新研發RF MEMS元件可動態匹配手機天線阻抗

jeter1973 · 发表于 2010-12-16 16:49:11

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美國無晶圓廠半導體業者WiSpry，近日計劃推出全球首款整合式射頻(RF)微機電系統(MEMS)元件的樣品。這款MEMS晶片是採用CMOS製程的一組數位電容器陣列，可動態地匹配手機天線阻抗，因而避免手機收訊不良並延長電池壽命。
而WiSpry並強調，這款MEMS晶片的推出僅是個開始，該公司還會陸續推出一系列RF-MEMS元件，並最終達到RF的最高境界──軟體無線電(software radio)，一種能夠被調節至頻譜中不同波段的超寬頻(ultra-wideband)通訊頻道。
「從長遠來看，我們希望能夠開發出一款完全可調(tunable)的RF-MEMS前端──基本上就是一款軟體無線電晶片」，WiSpry共同創辦人Jeffrey Hilbert表示：「但我們現在才剛剛起步，用我們的可調節電容器陣列，來實現天線阻抗匹配(impedance-matching)。」
要實現手機天線與RF前端的阻抗匹配越來越難，因為現在趨向於採用內建的手機天線，而內部天線會將RF訊號與手機使用者的身體耦合，當手機使用者拿起手機通話時，手機的天線阻抗會改變。
目前電子工程師們所設計的被動阻抗匹配網路，僅能因應手機使用者拿在手中和放置在桌子上兩種不同情況，而WiSpry聲稱該公司所設計的主動網路，能夠在很多無法預料的情況下(如手機外套了手機套)實現阻抗匹配情況。
「設計工程師有時需要花上一個月時間，來設計用於新款手機天線的阻抗匹配網路，」Hilbert表示：「若採用我們公司的可調諧電容器陣列，則可以動態地實現阻抗匹配，因而縮短手機設計時間和改善手機性能。」
WiSpry是一家成立5年的新創公司；由於已開始對其首款手機用MEMS晶片提供樣品，因此才決定開始對外透露其RF-MEMS技術的研發成果。該公司首款MEMS晶片是架構在晶圓片上的80個數位電容器陣列，據稱可透過編程使電容器值在10倍動態範圍內變化；該晶片要到明年才會上市，但已有一家手機製造商已簽約進行動態匹配天線阻抗的應用開發。
透過在手機中加入此款由數位式電容器陣列構成，且能在10微秒(Microsecond)內動態地調節其阻抗的MEMS晶片，手機用戶可以接收到清晰的訊號，而不會出現收訊不良的情況，這樣就擴大了手機無線服務的服務範圍，降低了訊號傳輸所需的功率，延長了手機的電池壽命。
「在實際使用過程中，天線十之有九不能與RF前端的50Ω輸入阻抗處實現匹配；」Hilbert.表示：「但若採用我們的RF-MEMS晶片，就能夠即時調整阻抗使天線與RF前端總是處於匹配狀態。」
更高難度的挑戰
WiSpry是於2002年從MEMS設計/軟體開發商Coventor所獨立出來。WiSpry一開始主攻應用廣泛的MEMS版彈簧繼電器(venerable reed relay)，即一種用於RF轉換的標準方式(例如將天線在兩個不同的無線頻率前端間轉換)。
在解決了用於RF轉換的MEMS設計難題之後，該公司開始著手進行可調節RF濾波器等更高難度的設計，並最終開發出了目前已可提供樣品的數位式電容器陣列。
在這款RF-MEMS晶片的開發過程中，WiSpry已經累積了一系列MEMS製程技術，包括應用於不同類型RF前端的CMOS、SiGe和GaAs整合製程。該公司還改善了一項可將其MEMS基礎架構與外界隔離的晶圓級封裝製程，透過標準CMOS製程設備即可實現MEMS晶圓的加工，使其成本像ASIC一樣低。
該公司已經就其MEMS製程申請了多項專利──包括用於確保晶片長時間可靠性的點焊(contact welding)技術，和用於避免靜電效應的三層梁結構(triple-layer beam structure)。此外，該公司還有不能公開的秘密武器。到目前為止，WiSpry已募集到800多萬美元的風險基金，這些資金已被用於其RF-MEMS晶片的基礎架構開發。
WiSpry的首款RF-MEMS晶片正由Jazz Semiconductor採用200mm晶圓、0.18微米CMOS製程生產。晶圓上的這些微小的皮法級(picofarad)電容器值，可在0.1~1pF或0.2~2pF之間變化。
當電容器極板間電壓發生變化時，極板間的距離也會隨之變化，因而實現電容器值的調節；這些數位式電容器的電容器值可以5fF的微幅度逐漸增大。除匹配天線阻抗之外，這些可變電容器陣列還可將手機電池的壽命延長10~20%，因為在相同傳輸距離下，處在匹配狀態下的天線所耗傳輸功率更小。
WiSpry的首位客戶是一家未透露名稱的手機製造商，計劃在2008年將WiSpry的RF-MEMS晶片用於其手機的動態天線阻抗匹配。據WiSpry指出，除用於匹配天線阻抗之外，此款RF-MEMS晶片還適用於可調諧RF濾波器、功率放大器調諧以及其它可程式阻抗匹配應用。