據麥姆斯咨詢報道，為應對6G射頻前端設計挑戰，英國MEMS初創公司Nanusens利用其開創性的MEMS-within-CMOS?技術，開發了一種新穎的射頻數字可調電容器（DTC）解決方案。
Nanusens首席執行官（CEO）Josep Montanyà解釋說：“這是我們利用自主技術實現低成本5G高頻段工作的進一步擴展。我們已向客戶提供了相關測試芯片，客戶對芯片的性能印象深刻，并建議我們利用這項技術為6G開發解決方案，因為該行業確實面臨著挑戰?！?/span>
6G需要處理比5G更多甚至更高的頻率。為此，需要在手機中集成更多的天線，以處理更多的頻段，但由于要在手機中安裝更多的天線，天線必須更小，因此效率會降低。為了使每根天線獲得最佳性能，需要對每根天線進行調諧，以便重新配置不同的頻段，并避免與功率放大器不匹配。目前，通過可調電容器能夠實現這一目標。
Nanusens利用其經過硅驗證的專利技術，采用標準CMOS工藝構建MEMS結構，在芯片的CMOS層內創建了大量可進行數字調諧的納米級電容器及控制電路。這種單芯片集成解決方案比競爭型解決方案更小，并憑借更好的線性度（意味著失真幾乎為零）提供了更好的性能。此外，由于納米電容器功率效率更高，通話時間最多可延長30%，從而解決了目前效率下降的問題。
Nanusens射頻數字可調電容器（DTC）還解決了當前天線解決方案在更高頻段功耗越來越大的問題。其關鍵在于1 GHz超過100的極高Q值，而且重要的是，其Q值在更高頻段仍能保持較高水準，以保持極低的功率損耗，而在更高頻段，競爭技術的Q值會顯著下降。實際效果是通訊覆蓋范圍增加了約14%甚至更多，減少了掉線或接收不良的情況，從而改善了用戶體驗。
Nanusens首席技術官（CTO）Marc Llamas博士說：“我們為5G和6G射頻前端提供的獨特解決方案，令我們提供展示的主要射頻廠商感到非常興奮，他們一直渴求更優的解決方案。我們相信，這就是他們一直在尋找的射頻前端解決方案，有望使6G市場真正起飛。該解決方案不僅適用于手機，還適用于工業和汽車領域的其它應用，因為其延遲更低，數據傳輸速率是5G的50倍（每秒1000千兆比特）。在人工智能（AI）、虛擬現實（VR）、增強現實（AR）和物聯網（IoT）等數據密集型應用需求快速增長的推動下，6G市場潛力巨大，預計每年新增設備數以億計。而我們的獨特技術，可以在任何IC代工廠采用標準CMOS工藝制造，意味著我們幾乎可以無限量地生產以滿足巨大的市場需求?！?/span>
固態開關和RF MEMS解決方案
固態開關的問題在于其Q值較低，Q值是衡量性能的一個指標，Q值越高越好，因為Q值越高表明工作時的損耗越低。固態開關解決方案的Q值較低是由于其導通態電阻（Ron）造成的。當頻率上升到更高的5G頻段時，這種情況會變得更糟，已成為有效利用更高頻段的限制因素。RF MEMS可調諧電容器的問題在于可靠性差，因為它們使用電介質。電介質充電是RF MEMS器件失效的主要原因，同時也限制了電介質擊穿前可承受的峰-峰值電壓。
Nanusens開發了一種解決方案，可以避免這兩個問題。Nanusens采用一種射頻電容開關陣列，為更高的6G頻段提供了天線調諧功能。這解決了低Q值的問題，因為在這種設計中沒有導通態電阻，因此在1 GHz實現了超過100的極高Q值。而且，重要的是，其Q值在更高頻段仍能保持較高水準，使損耗非常低，而競爭技術的Q值在更高頻段會顯著下降。此外，RF MEMS不存在電介質充電和/或擊穿的問題，因為這種創新設計中沒有使用電介質。因此，Nanusens射頻數字可調電容器在實驗室中成功通過了40多億次開關循環，而沒有出現性能下降。它們還非常堅固耐用，已成功通過沖擊、振動、熱循環、MSL 1和HTSL測試。
主要性能參數
射頻數字可調電容器的關鍵因素包括Q值和線性度。Nanusens射頻數字可調電容器的Q值在1 GHz超過100，與最先進的RF MEMS解決方案不相上下，遠高于固態開關解決方案。它們還展現了出色的線性度，IMD3超過90 dBc，這也是5G的要求。
其最小電容可以保持在非常小的范圍，單個電容關閉狀態下的關斷電容（Coff）可低至30 fF（意味著4位射頻數字可調電容器的Cmin為0.45 pF），未來迭代后甚至可以更低。
同樣，目前其電容比為2.2，Nanusens希望在下一次產品迭代中將電容比提高到4。
解決日益嚴重的寄生問題
隨著器件性能逐漸接近理想性能（極低的Coff和極高的Q值），以及新的分配頻段開始轉向微波區域，互連寄生對性能的負面影響將越來越大。
采用標準CMOS工藝制造意味著Nanusens射頻數字可調電容器可以和其它射頻前端元件（如功率放大器、低噪聲放大器和收發器）同時在同一芯片上制造，從而大大降低互連寄生，同時實現可重新配置。這些單芯片可重新配置解決方案適用于超小型、扁平化、低成本的晶圓級芯片封裝（WLCSP），與競爭技術的多元件解決方案相比，這種集成還降低了物料成本（BOM），節省了電路板面積。
標準CMOS工藝
采用標準CMOS工藝使Nanusens器件能夠從CMOS的規模經濟中獲益，因此成本遠低于競爭產品，后者往往采用的是更昂貴的絕緣體上硅（SOI）/硅基藍寶石工藝或特色MEMS制造工藝。此外，Nanusens還受益于IC代工廠的高良率，產量幾乎不受限制，并且可以使用任何IC代工廠進行生產。產品生產時間是典型CMOS產品的生產時間，不像某些競爭技術的非標準產品需要更長的時間。
Nanusens如何使用標準CMOS工藝
Nanusens使用氣相氫氟酸（vHF）通過鈍化層上的焊盤開口蝕刻金屬間介質（IMD）以形成納米結構。然后根據需要封孔和封裝芯片。由于只使用標準的CMOS工藝，僅需極少的后處理，芯片可根據需要直接與有源電路集成，具有與CMOS芯片類似的高良率。這也意味著生產不受代工廠的限制。
關于Nanusens
Nanusens由Josep Montanyà博士和Marc Llamas博士于2014年創立，總部位于英國德文郡派恩頓，在西班牙巴塞羅那和中國深圳設有研發辦事處。該公司充分利用了創始人的前公司Baolab Microsystems開發的研究成果和專業知識。Nanusens獲得了Inveready、Caixa Capital Risc和Dieco Capital以及一些超高凈值投資者的風險投資。
延伸閱讀：
《5G和6G封裝天線（AiP）技術及市場-2024版》
《射頻（RF）聲波濾波器專利全景分析-2024版》
