应用于无处不在的无线连接之中的射频微机电技术(二)

应用于无处不在的无线连接中的射频微机电技术:第二部分—应用Hector J.De Los Santos,Georg Fischer, Harrie A.C. Tilmans,Joost T.M. van Beek微机电技术（MEMS）在射频(RF)/微波系统中的应用正对无线通讯产生革命性的作用[1]。

事实上，射频微机电可以制造性能优异的无源器件，如开关，可切换电容器（2个状态），可变电容（变容器），电感，传输线及谐振器，使其成为生产众多可用于家庭，移动通讯，太空应用[2]如手机，基站，卫星系统中射频器件的首选技术。

这些系统的精华在于低功耗及其可重置性。

因此，微机电将成为无线系统生产的关键技术。

本文旨在揭示用射频微机电制造的可切换电容，变容器，开关在三类系统如手提式无线系统，基站，卫星中的应用所产生的影响及目前的发展现状。

本文着重在系统层次上讨论了射频微机电应用的动机，器件要求，规模生产，封装，目前的性能现状及可靠性等方面的问题。

在第一部分，即前一篇文章中，我们讨论了射频微机电的基本概念，特别是，制造技术（表面微细加工和基片微细加工），以及它们各自的局限性，比较了几个用于射频微机电器件的关键的驱动机理，和器件层次上的封装技术。

第二部分的组织如下：•“射频微机电技术在手提式无线系统中的应用”概述了目前的发展趋势，尤其是考虑到在尺寸，功率效率的限制条件下将功能整合进入射频无线系统中；射频无线系统的小型化一般可通过将无源器件，特别是微机电开关和可变电容集成来实现；射频微机电多种制造工艺的选择，特别是处于主流地位的工艺过程（CMOS），可靠性和驱动电压，以及为达到小型封装和集成目的所提出的系统级封装（SiP）的概念。

•“射频微机电技术在基站中的应用”阐述了对可重置基站结构的需求，包括所附属的如开关和变容器的要求，以及由射频微机电技术所开发的电路研究方面的进展。

©1997 PHOTODISC, INC.©1999 PHOTODISC©EYEWIRE————————————————————————————————————————————Hector J.De Los Santos(NanoMEMSLLC@)is with NanoMEMS Research, LLC Irvine, CA 92604 USA Georg Fisher is with Lucent-Bell Labs Europe Nuremberg, Germany. Harrie A.C. Tilmans is with Inter-University Microelecltronics Center (IMEC) Leluvern , Belgium.Joost T.M. van Beek is withi Philips Research Lalboratories Eindhoven, The NetherlandsIEEE microwave magazine December 2004 50•“射频微机电在太空领域的应用”讨论了其在卫星和纳米卫星中的应用，包括开关的技术要求，以及射频微机电移相器的最新进展。

射频微机电技术在手提式无线系统中的应用手提式无线系统的发展趋势手提式无线系统已经问世很久了。

传统的移动电话功能—电话语音服务和短信服务在手提式无线系统的硬件中所占的比例越来越小。

而其它功能如照相，游戏和音乐放送器则占居了很大比例，在手提式无线系统中所占据的增值比重越来越高。

与此同时，语音服务仅仅成为射频数据传输的目的之一。

这是因为越来越多的频带和通信协议进入了手提式无线系统之中。

事实上，射频数据传输可通过各种“管道”进行。

有些管道已经被加入到市场现有的手提系统中，而其它管道预计在不远的将来也会被加入进来。

一般来说，手提式无线系统中存在着三种不同的射频通信管道，即蜂窝通信管道，互联管道，和数据广播管道。

这三个管道中最成熟的通信管道是蜂窝管道。

其最大特点在于覆盖面积大。

蜂窝管道最早仅仅用于通话服务，现在它已可以支持短信服务和因特网接入。

这个管道包含的标准有，全球移动通信系统（GSM），通用分组无线电系统（GPRS），数字交叉连接系统（DCS ），个人通信服务系统（PCS），以及宽带码分多址接入系统（W-CDMA）。

蜂窝管道和射频互联管道的不同之处后者不使用覆盖很广的蜂窝网络，而主要是用来组成独立设备之间的本地无线连接网络。

这种通信管道标准包括蓝牙，Zigbee 以及IEEE802.11等。

对于数据广播管道，手提系统仅仅是用来接收信息的，例如调频（FM）无线电广播，以及在不远的将来可以接收电视信号。

全球定位系统（GPS）也属于这一类管道。

可以预料每个管道会趋向于针对一个单一的，多频带无线电系统。

对于当前的蜂窝管道来说，我们已经看到了这种趋势，例如，加入了高度集成的“四频带”射频模块来实现。

对其它管道来说，我们也可以预料将会有类似的开发。

为了成功地实现射频无线电系统的联合，必须满足两个条件，即减小尺寸，降低功耗。

尤其是手提式无线系统的尺寸应当保持现状或更小一些。

这种要求的重要性可通过下面的例子来说明，增加一个简单的调频无线电功能会占据电路板上150mm2的面积。

另外，在手提式无线系统中每增加一个射频管道或通信协议，对电源的要求也会相应地增加。

由于手提式无线系统中有限的电池容量，因此减少功耗的迫切性变得越来越突出。

从这一点上说，微机电欧姆式接触（金属-金属接触）开关和可变电容将可能正好是射频无线电系统和电路小型化以及高功率效率这两个方面的联合所不可缺少的环节。

微机电欧姆式开关和可变电容具有其它任何半导体技术所不具备的极低的损耗和很高的线性度特性。

这些特性使得有可能通过加入低损耗可重置射频网络而将各种射频通信管道联合起来。

在这种情况下，就可以通过电路复用而减少将不同射频管道联合起来所需要的面积。

另外，微机电的自适应性，低损耗，高线性度可以改善带内功率效率。

射频无线电的小型化问题减少手提式无线系统尺寸的第一步就是要从无源器件开始。

今天的手提系统中，无源器件占到了75-85%。

相反，有源器件只占5% [即，集成电路芯片（ICs）和分立元件]。

在目前最先进的多媒体电话中，要使用几百个电容，其中30%是用于射频电路的。

这些无源器件所占据的总面积，除了它们本身的尺寸外，还要考虑组装时每个器件之间所要求保持的最小间隙尺寸。

很明显，为了减少射频部分的面积，应当把重点放在减少分立元件的数量上。

这可通过将无源器件进行集成化来实现。

图1展示了当前射频前置端使用集成的无源器件从而使之模块化和小型化的趋势。

左边是1998年研制成功的单频带GSM功率放大器（PA）模块（Philips, BGY241），面积为8×14mm2。

Philips BGY24含有两个有源器件和30个无源器件，其中主要是电容。

可以看出无源器件比有源器件的数量大得多。

六年后，当初的单频带GSM功率放大器已经演变为右边的模块；一个双频带/四频带发射器的前置端模块（Philips, BGY504），面积为8×10mm2。

BGY504不仅含有GSM 功率放大器，还含有DCS-PCS频带的功率放大器，一个加入了pin-二极管的天线开关（ASW），一个双工器，和两个低通滤波器。

BGY504的面积虽然减小了，但所含的功能却增加了很多。

无源器件的集成化是在减小射频部分尺寸的同时增加其功能的关键。

BGY504中的表面贴装器件（SMD）的数量从BGY241的30个减少到了26个。

通过无源器件的集成可以减少分立无源器件的数量。

在这种情况下，许多在BGY241中的分立SMD电容在BGY504中通过Philips公司被称为PASSI[3]的无源器件集成工艺而被集成进入了模块中。

BGY504中的五个倒置PASSI芯片将用于阻抗匹配，低通滤波器和双工器的电容都集成进去了。

要进一步减少尺寸，就需要将电感嵌入多层层压承载基片中。

PASSI 工艺过程与CMOS工艺是完全兼容的，而且能生产电感-电容网络，同时元件的精度可以提高几个百分点。

高品质因数（Q值）可以通过使用高阻性Si基片和较厚的金属导体来实现。

按照小型化思想最终所得到的射频模块，应当是将完整的射频部分集成进入一个独立的封装中，如图2所示[4]。

很明显，射频模块的尺寸会减小。

当某个特定模块，如放大器的尺寸到达了临界最小尺寸时，便将其与其它模块如ASW结合在一起，组成了发射前置端模块（Tx-FEM，如BGY504）。

最后，这个完整的部分被集成进一个单独模块中：多频带射频模块。

图2是预测的December 2004 IEEE microwave magazine 5152 图1 (a) 1998年研制的单频带GSM功率放大器模块（Philips, BGY241）。

(b)2003年开发的四频带发射端模块，集成了两个功率放大器和一个天线开关（ASW）（Philips, BGY504）。

箭头所指处是PASSI无源器件集成芯片，芯片集成了两个阻抗匹配电路，两个低通滤波器和一个双工器。

模块小型化程度，这只能通过放弃分立的SMD无源器件，而将其以某种方式进行集成才能得以实现。

减少射频部分尺寸的下一步就是将微机电欧姆开关和可变电容加入无源网络中。

微机电损耗很低，线性度高，因此近乎是“理想”的“自适应性无源器件”。

使图2 完全集成化的射频模块小型化趋势。

当一个特定模块，例如放大器的尺寸到达了临界最小尺寸时，便将其与其它模块结合在一起，如ASW就被结合进了发射前端模块中组成了Tx-FEM。

最后，整个射频部分被集成进一个独立的模块中：多频带射频模块。

只有通过将无源器件集成才能达到高度小型化的目的。

用微机电元件便有可能重置无源网络，如阻抗匹配网络和谐振电路，而不会带来明显的信号损耗。

特别是当射频模块变得很复杂并且支持多个射频通信协议和多个频带时，这样做的好处就更明显了。

换句话说，当无线联合取得进展时，微机电的使用会带来更明显的效果。

为了说明这一点，图 3 示出了完全整合的3G蜂窝通信管道的射频前置端。

使用微机电可变电容和/或欧姆开关，再加上固定的电感和电容可以合并成一个单独的，可重置的阻抗匹配和天线转换模块。

我们可以预测这种微机电可重置网络可以减小射频前置端的面积，这是因为同样的电路可用于不同的频带和不同的通信协议。

除了能把不同频带合并进一个单独的自适应性电路中以外，微机电还能改善带内功率效率。

为了说明这一点，我们来看一下放大器和具有50Ω固定阻抗的天线之间的阻抗匹配网络，见图4[5]。

放大器最后一级晶体管的最佳负载阻抗Z in是随发射功率的改变而变化的。

在没有微机电器件的情况下，阻抗匹配网络通常是按照输出功率为最大时所对应的最小插入损耗的最佳负载阻抗来设计的。