無線通信設備的激增創(chuàng)造了對這些設備所用RF元件與模塊的驚人需求。當然，元件必須足夠小，能舒服地裝入采用它們的移動無線消費產(chǎn)品中，而且不會擠占MP3播放器和數(shù)碼相機等輔助功能。由于消費產(chǎn)品不斷支持多種通信標準，微型器件本身必須集成一些必需的功能，以實現(xiàn)WiFi、WiMAX、藍牙、GPS、DVB-H、UWB，以及各種多頻段蜂窩技術。
在數(shù)字電路方面，摩爾定律促使供應商們在單個CMOS集成電路中提供更多功能方面突飛猛進。不過，無線部分需要大量其他有源無源元件，以及基帶數(shù)字芯片、功率放大器、開關，和低噪聲放大器。分立式無源元件不遵循摩爾定律，不滿足持續(xù)的微型化要求。EPCOS副總裁兼SAW部CTO Christian Block在2004年的一次訪談中解釋了這個問題及其解決方案(參考文獻1)。他說：“重要的進展不再來自于分立式無源元件的持續(xù)小型化。因此我們選擇了基于LTCC技術的無源集成。”
LTCC推動微型化
“LTCC”是指低溫共燒陶瓷技術，EPCOS用它來建立多層陶瓷襯底，用于嵌入無源元件。與FR4材料或?qū)訅翰牧舷啾?，LTCC襯底的損耗更低，能在緊湊空間內(nèi)集成很多無源元件(參考文獻2)。
EPCOS模塊產(chǎn)品開發(fā)總監(jiān)Patric Heide博士表示，一個LTCC模塊可能有10到20層，每層厚度在30到50微米之間。EPCOS可以在這些層之間建立電感與電容，實現(xiàn)濾波器功能和平衡-不平衡轉換器(Balun)。Heide博士解釋說，為了幫助推進微型化，這些模塊還裝入了一些半導體芯片，如通常采用GaAs技術的功率放大器和開關。他說：“我們在集成這些有源GaAs器件與LTCC結構方面獲得了很多知識，并且充分利用了我們在倒裝芯片和引線接合方面的經(jīng)驗，以實現(xiàn)批量生產(chǎn)中的制造成品率。”
他繼續(xù)說，高水平集成的結果是“我們向客戶交付了采用單個封裝、經(jīng)過全面測試的RF系統(tǒng)。在手機中，一側是基于CMOS的射頻IC，另一側是天線。我們提供一個介于兩者之間的全功能前端模塊。”
一個實例是2008年1月份推出的微型全合一前端模塊，可用于藍牙和IEEE 802.11b/g/n WLAN應用。該模塊集成了一個WLAN功率放大器、一個WLAN/藍牙開關、一個接收平衡-不平衡轉換器，以及偏置電路和針對所有RF及DC端口的ESD(靜電放電)保護，其插入高度只有1.4 mm，僅占用電路板4.5×3.2 mm²的空間。D6101還帶有一個共存濾波器，符合全球所有蜂窩標準的WLAN及藍牙應用可以同時工作。
多端口測試挑戰(zhàn)
在我參觀EPCOS總部期間，Heide博士和他的同事們概略描述了測試這些模塊時面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。Jörg Schuler博士在EPCOS SAW部負責制造工程與測試策略，他談到了測試多RF端口高集成度微型封裝所需的復雜性：“對于一個GSM四頻WCDMA三頻模塊，必須測試四個GSM平衡端口、兩個Tx端口、三個寬帶CDMA端口，還有一個天線。在最終測試階段需要同時測試14個端口。”(每個平衡GSM端口都包括一個平衡-不平衡轉換器，它有兩個連接到測試系統(tǒng)的端口)。他表示，重要的規(guī)范包括高動態(tài)范圍和良好的阻帶性能，“因此你的測試系統(tǒng)需要提供盡可能低的損耗。”
Schuler博士稱，EPCOS使用的早期測試系統(tǒng)包括一個雙端口VNA(矢量網(wǎng)絡分析儀)和12端口矩陣。他補充說，EPCOS早期與Rohde & Schwarz討論過測試設備的需求，最終使用了一臺8端口R&S ZVT VNA，它支持高達20 GHz的測試覆蓋范圍，帶有一個10端口矩陣。他說，這種組合的結果是連接到待測單元上的開關數(shù)較少，因此大幅度降低了損耗，增加了動態(tài)范圍，并提供更準確的測量。
Schuler博士表示，重要的還有快速的校準時間，使校準工作更便于在現(xiàn)場完成。他說：“我們今天使用的是一個16端口校準標準，它能夠一次自動校準16個端口，只要將測試設備連接到標準版CAL，啟動自動校準程序就行了。這對批量生產(chǎn)非常實用。”他補充說，對EPCOS位于中國無錫的制造廠，自動校準尤其重要，他解釋說，使用彩色編碼的電纜和連接器，操作員可以快速地完成所需連接，然后按下一個鍵。
保持短的測試時間
Schuler博士稱，盡管集成度在不斷增加，模塊中包含了需要作非線性測量的有源元件，但仍要保持短的測試時間。他補充說，ACPR(鄰道功率比)、諧波和其他參數(shù)的測量都可以采用信號發(fā)生器和頻譜分析儀的組合，但對于三、四個功率級的全面特性描述，這種測量需要較長的時間。Schuler博士稱，與之相比，VNA可以快速測出增益、1 dB壓縮點和諧波，而“縮短測試時間意味著我們成本的降低。”
Heide博士描述了高集成度LTCC前端模塊所帶來的特殊測試挑戰(zhàn)，該模塊也包含功率放大器這類有源元件。他說，對這些模塊的測試涉及陶瓷自身內(nèi)部濾波器功能的小信號測量，以及對模塊封裝中嵌入放大器功能的大信號特性描述。具體的測試隨應用而變化，但一般包括的步驟有S參數(shù)測量與諧波測量，后者用于確保符合對雜散輻射的監(jiān)管要求。
圖1表示W(wǎng)LAN和WiMAX模塊需要的測試步驟。Heide博士稱，IEEE 802.11和802.16設備的一個主要要求是工作在OFDM(正交頻分復用)格式下的發(fā)射器線性度。他補充說，EVM(誤差矢量幅度)是線性度的一個關鍵指標。為了實現(xiàn)待開發(fā)模塊的全面特性描述，EPCOS工程實驗室通常會采用基于PC的自動測試臺，它帶有一臺R&S ZVA24 VNA、一個定制的多端口測試集、一臺R&S FSQ26矢量信號分析儀，以及一臺R&S SMJ100矢量信號發(fā)生器。
Heide博士解釋說，耗時的測試過程不適用于批量生產(chǎn)。“我們不能接受一個花費半分鐘或一分鐘的測試。我們需要在幾秒鐘內(nèi)完成測試。”
用抽樣測試加快生產(chǎn)過程也不可取。Schuler博士說：“我們對每件離開工廠的產(chǎn)品都要作全面的特性測試。”他補充說EPCOS希望做到在開始一個新模塊的生產(chǎn)時，測試程序調(diào)整需求的最小化。“我們的方案永遠是將與實驗室相同的測試設置用于生產(chǎn)線的測試環(huán)境。”
Heide博士說，EPCOS最近開發(fā)了一種組合模塊(圖2)，它在一個單元內(nèi)支持全球所有的WiFi和WiMAX標準(2.5 GHz WiFi、2.5 GHz WiMAX、3.5 GHz WiMAX和5.5 GHz WiFi)。他說，這種三頻段模塊以四種模式工作，WiFi和WiMAX共享2.5 GHz頻段，而3.5 GHz頻段只支持WiMAX，5.5 GHz頻段只支持WiFi。
該模塊有六個平衡-不平衡轉換器、三個發(fā)射濾波器、三個接收濾波器，以及三個諧波濾波器。Heide博士說：“有很多濾波器需要作特性分析。”該器件還包含三個功率放大器芯片和一個SP4T開關。其架構包括三個平衡發(fā)射和三個平衡接收路徑，以及一個天線端口。因此，就有13個RF端口要進行測試，這是R&S ZVT VNA的任務。
集成軟件
當然，單靠多端口RF測量能力并不足以開發(fā)出一個有效的測試策略。軟件扮演著一個重要的角色，它既可控制儀器和處理程序，也可獲取和分析數(shù)據(jù)，目標是統(tǒng)計過程控制。為此，得到Rohde & Schwarz公司工程師支持的EPCOS工程師正致力于EPCOS專用測試軟件與Rohde & Schwarz VNA軟件的集成。Schuler博士解釋說：“對我們最大的好處是，我們擁有了一個可控制VNA和切換矩陣的單一軟件界面。”
盡管重點是Rohde & Schwarz的儀器，EPCOS工程師們的實驗室中也確有來自其他測量設備供應商的儀器。Heide博士說這種額外設備使EPCOS工程師確保測試結果的完全兼容和再現(xiàn)性，例如為EPCOS客戶或參考設計伙伴完成的特殊測量。這些測量有時會用到多家供應商儀器生成的很特殊的數(shù)字調(diào)制方法。
不過，EPCOS很重視與Rohde & Schwarz建立的工作模型。Schuler博士說：“沒有本地的支持，與測試設備制造商的合作可能很難”，他接著說，預測今后3到5年需要的功能不是件容易的事。他繼續(xù)說，“重要的是交互合作，充分利用測試設備的能力，”因為要將所有測量難題湊在一起，需要儀器供應商與客戶之間的持續(xù)對話。
Schuler還說，通過與Rohde & Schwarz公司客戶支持的密切合作，EPCOS還有機會使用還沒有上市的產(chǎn)品。“這使我們有機會提供很多反饋，并且當我們在批量生產(chǎn)中部署該款儀器時，能確信它已成熟。”
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