Nanusens开发射频数字可调电容器，解决6G射频前端设计挑战
2024-07-22 21:58:00   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，为应对6G射频前端设计挑战，英国MEMS初创公司Nanusens利用其开创性的MEMS-within-CMOS™技术，开发了一种新颖的射频数字可调电容器（DTC）解决方案。

Nanusens首席执行官（CEO）Josep Montanyà解释说：“这是我们利用自主技术实现低成本5G高频段工作的进一步扩展。我们已向客户提供了相关测试芯片，客户对芯片的性能印象深刻，并建议我们利用这项技术为6G开发解决方案，因为该行业确实面临着挑战。”

6G需要处理比5G更多甚至更高的频率。为此，需要在手机中集成更多的天线，以处理更多的频段，但由于要在手机中安装更多的天线，天线必须更小，因此效率会降低。为了使每根天线获得最佳性能，需要对每根天线进行调谐，以便重新配置不同的频段，并避免与功率放大器不匹配。目前，通过可调电容器能够实现这一目标。

Nanusens利用其经过硅验证的专利技术，采用标准CMOS工艺构建MEMS结构，在芯片的CMOS层内创建了大量可进行数字调谐的纳米级电容器及控制电路。这种单芯片集成解决方案比竞争型解决方案更小，并凭借更好的线性度（意味着失真几乎为零）提供了更好的性能。此外，由于纳米电容器功率效率更高，通话时间最多可延长30%，从而解决了目前效率下降的问题。

Nanusens射频数字可调电容器（DTC）还解决了当前天线解决方案在更高频段功耗越来越大的问题。其关键在于1 GHz超过100的极高Q值，而且重要的是，其Q值在更高频段仍能保持较高水准，以保持极低的功率损耗，而在更高频段，竞争技术的Q值会显著下降。实际效果是通讯覆盖范围增加了约14%甚至更多，减少了掉线或接收不良的情况，从而改善了用户体验。

Nanusens首席技术官（CTO）Marc Llamas博士说：“我们为5G和6G射频前端提供的独特解决方案，令我们提供展示的主要射频厂商感到非常兴奋，他们一直渴求更优的解决方案。我们相信，这就是他们一直在寻找的射频前端解决方案，有望使6G市场真正起飞。该解决方案不仅适用于手机，还适用于工业和汽车领域的其它应用，因为其延迟更低，数据传输速率是5G的50倍（每秒1000千兆比特）。在人工智能（AI）、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和物联网（IoT）等数据密集型应用需求快速增长的推动下，6G市场潜力巨大，预计每年新增设备数以亿计。而我们的独特技术，可以在任何IC代工厂采用标准CMOS工艺制造，意味着我们几乎可以无限量地生产以满足巨大的市场需求。”

固态开关和RF MEMS解决方案

固态开关的问题在于其Q值较低，Q值是衡量性能的一个指标，Q值越高越好，因为Q值越高表明工作时的损耗越低。固态开关解决方案的Q值较低是由于其导通态电阻（R_on）造成的。当频率上升到更高的5G频段时，这种情况会变得更糟，已成为有效利用更高频段的限制因素。RF MEMS可调谐电容器的问题在于可靠性差，因为它们使用电介质。电介质充电是RF MEMS器件失效的主要原因，同时也限制了电介质击穿前可承受的峰-峰值电压。

Nanusens开发了一种解决方案，可以避免这两个问题。Nanusens采用一种射频电容开关阵列，为更高的6G频段提供了天线调谐功能。这解决了低Q值的问题，因为在这种设计中没有导通态电阻，因此在1 GHz实现了超过100的极高Q值。而且，重要的是，其Q值在更高频段仍能保持较高水准，使损耗非常低，而竞争技术的Q值在更高频段会显著下降。此外，RF MEMS不存在电介质充电和/或击穿的问题，因为这种创新设计中没有使用电介质。因此，Nanusens射频数字可调电容器在实验室中成功通过了40多亿次开关循环，而没有出现性能下降。它们还非常坚固耐用，已成功通过冲击、振动、热循环、MSL 1和HTSL测试。

主要性能参数

射频数字可调电容器的关键因素包括Q值和线性度。Nanusens射频数字可调电容器的Q值在1 GHz超过100，与最先进的RF MEMS解决方案不相上下，远高于固态开关解决方案。它们还展现了出色的线性度，IMD3超过90 dBc，这也是5G的要求。

其最小电容可以保持在非常小的范围，单个电容关闭状态下的关断电容（C_off）可低至30 fF（意味着4位射频数字可调电容器的Cmin为0.45 pF），未来迭代后甚至可以更低。

同样，目前其电容比为2.2，Nanusens希望在下一次产品迭代中将电容比提高到4。

解决日益严重的寄生问题

随着器件性能逐渐接近理想性能（极低的C_off和极高的Q值），以及新的分配频段开始转向微波区域，互连寄生对性能的负面影响将越来越大。

采用标准CMOS工艺制造意味着Nanusens射频数字可调电容器可以和其它射频前端元件（如功率放大器、低噪声放大器和收发器）同时在同一芯片上制造，从而大大降低互连寄生，同时实现可重新配置。这些单芯片可重新配置解决方案适用于超小型、扁平化、低成本的晶圆级芯片封装（WLCSP），与竞争技术的多元件解决方案相比，这种集成还降低了物料成本（BOM），节省了电路板面积。

标准CMOS工艺

采用标准CMOS工艺使Nanusens器件能够从CMOS的规模经济中获益，因此成本远低于竞争产品，后者往往采用的是更昂贵的绝缘体上硅（SOI）/硅基蓝宝石工艺或特色MEMS制造工艺。此外，Nanusens还受益于IC代工厂的高良率，产量几乎不受限制，并且可以使用任何IC代工厂进行生产。产品生产时间是典型CMOS产品的生产时间，不像某些竞争技术的非标准产品需要更长的时间。

Nanusens如何使用标准CMOS工艺

Nanusens使用气相氢氟酸（vHF）通过钝化层上的焊盘开口蚀刻金属间介质（IMD）以形成纳米结构。然后根据需要封孔和封装芯片。由于只使用标准的CMOS工艺，仅需极少的后处理，芯片可根据需要直接与有源电路集成，具有与CMOS芯片类似的高良率。这也意味着生产不受代工厂的限制。

关于Nanusens

Nanusens由Josep Montanyà博士和Marc Llamas博士于2014年创立，总部位于英国德文郡派恩顿，在西班牙巴塞罗那和中国深圳设有研发办事处。该公司充分利用了创始人的前公司Baolab Microsystems开发的研究成果和专业知识。Nanusens获得了Inveready、Caixa Capital Risc和Dieco Capital以及一些超高净值投资者的风险投资。

延伸阅读：

《5G和6G封装天线（AiP）技术及市场-2024版》

《射频（RF）声波滤波器专利全景分析-2024版》