解析高性能可調(diào)諧 RF 器件

當(dāng) LTE（Long Term Evolution，長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)）的部署氣勢(shì)重新抬頭，企業(yè)經(jīng)營者與手機(jī)制造商都該明白，4G網(wǎng)絡(luò)并非3G性能萎靡不振時(shí)的萬靈丹。事實(shí)上，大家必須了解，完整的LTE解決方案包括了提升速度與可靠度，以及一系列持續(xù)強(qiáng)化處理，以避免因網(wǎng)絡(luò)流量過大、數(shù)據(jù)使用量增加，還有外形尺寸限制等因素而造成的擁塞。

一般來說，高數(shù)據(jù)傳輸率中使用的調(diào)變方案較為復(fù)雜，對(duì)信號(hào)處理的要求也格外嚴(yán)格。更麻煩的是，若要實(shí)現(xiàn)全球LTE，就必須使用比3G更多的頻段，便攜設(shè)備的基本需求需具備7波段，而要達(dá)到真正的全球漫游，則需13波段以上。另外，更重要的是，天線的性能限制嚴(yán)重威脅到速度，這使得多功能服務(wù)供應(yīng)商無不翹首盼望，期待LTE能提供其承諾的投資回報(bào)率。

可調(diào)諧RF采用體積更小但網(wǎng)絡(luò)性能更好的天線來提升LTE性能，也就是將可調(diào)諧RF器件附加到天線本身，這樣工程師就能設(shè)計(jì)出體積更小但性能更高的天線。通過這種方式，可調(diào)諧RF成功解決了業(yè)界人士所熟知的空間限制。

另外，利用單一天線來接收更多頻率范圍的調(diào)諧功能，自然減少了手機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)所需的整體天線數(shù)量。依據(jù)MIMO（Multiple Input Multiple Output，多重輸入多重輸出技術(shù)）的趨勢(shì)來看，這點(diǎn)意義重大，因?yàn)樵谠摷夹g(shù)中，有多達(dá)4根功能各自不同的天線存在?？烧{(diào)諧RF以最高效率進(jìn)行發(fā)送與接收，而且不受其他干擾源（如頭和手的位置）的影響。

解析高性能可調(diào)諧 RF 器件

在少數(shù)已進(jìn)入市場(chǎng)的天線問題補(bǔ)償方案中，只有動(dòng)態(tài)可調(diào)諧射頻微機(jī)電系統(tǒng)（RF-MEMS）技術(shù)能真正有效達(dá)到目的。

業(yè)界領(lǐng)先的可調(diào)諧RF器件，是采用數(shù)字電容數(shù)組，利用了RF-MEMS技術(shù)將電子電路集成于單一硅晶粒（die）上。

RF-MEMS電容器屬于機(jī)械器件，置于硅晶圓（silicon wafer）表面，他包含兩片金屬板，且會(huì)因外加電壓產(chǎn)生的靜電而靠在一起。這兩個(gè)金屬板之間還設(shè)有一個(gè)絕緣層，這樣就構(gòu)成了電容器。相對(duì)于一般以電流通過半導(dǎo)體基板的實(shí)體開關(guān)，在RF-MEMS器件上的電流只在金屬中流動(dòng)，損耗極低，且能進(jìn)行超線性運(yùn)作。

由于RF-MEMS電容器集成于單一CMOS晶圓上，因此所有控制MEMS的器件也都在同一個(gè)晶粒上，不僅節(jié)省了路由空間，還將往來于控制線的信號(hào)耦合降至最低，這點(diǎn)很關(guān)鍵，因?yàn)槠骷?dòng)時(shí)往往需要高電壓（大約 35V DC）。既然RF-MEMS電容器位在同一個(gè)CMOS晶粒上，那么所需電壓就由芯片上的集成電荷泵來產(chǎn)生，這樣一來，唯一需要的外部電源電壓，只需 2.7-3.3V就夠了。此外，所有器件的驅(qū)動(dòng)程序都可內(nèi)置，而所有電容設(shè)定都可通過寄存器來選擇，不論寄存器是通過業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的SPI或MIPI RFFE串行接口。

圖 1 RF-MEMS器件的橫截面

RF-MEMS器件機(jī)械結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的機(jī)械共振頻率較低-約60kHz。這是因?yàn)檎瘟海╞eam）會(huì)以驅(qū)動(dòng)信號(hào)的半波長(zhǎng)共振，所以當(dāng)MEMS器件閉合，共振就不那么明顯，且會(huì)轉(zhuǎn)移為數(shù)兆赫頻率。這種低機(jī)械共振頻率，造就了其優(yōu)秀線性度，因?yàn)镸EMS器件是無法直接對(duì)千兆赫范圍之信號(hào)變化產(chǎn)生反應(yīng)的。

電容率

在可變電容數(shù)組中，數(shù)組中各獨(dú)立電容的“開/關(guān)”比例，以及整個(gè)數(shù)組的“開/關(guān)”比例，都非常重要。當(dāng)MEMS器件被“抬起”或未被接觸，電容器就處于最小電容狀態(tài)，即“Cmin”。同樣地，當(dāng)電容器被驅(qū)動(dòng)，且位于“閉合”位置，電容器就會(huì)處于最大電容狀態(tài)，即“Cmax”。而電容率（Cratio）的定義如公式 （1） 所示。

公式（1）

數(shù)組中的每個(gè)電容都有類似圖2的模型存在。在此模型中，C1和C2代表接地的并聯(lián)式寄生電容，通常就是接到裝配環(huán)境與硅基板。而 Cseries代表數(shù)字電容器，可在Cmin和Cmax之間調(diào)節(jié)。

圖 2 MEMS電容器模型

當(dāng)芯片上的MEMS器件設(shè)計(jì)影響了這些寄生電容值，C1和C2就不相等。

若該器件被設(shè)定為串聯(lián)狀態(tài)，那么 Cratio 通常就是15。請(qǐng)注意，還會(huì)有些接地的并聯(lián)式寄生電容存在，而其值將取決于電容器尺寸，通常為Cmax的5-15%。

但若該器件被設(shè)定為并連狀態(tài)，例如Port B接地，其中一個(gè)寄生電容C1則與并聯(lián)數(shù)字電容器并聯(lián)，因而增加了Cmin值。此時(shí)，Cratio 通常就為7。

質(zhì)量因子（Q 值）

至于RF-MEMS電容器的質(zhì)量因子（Quality Factor）部分，顯著降低金屬梁（beam）電阻則提供了關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：低耗損。這樣的低耗損在一般規(guī)格中以“Q值”（質(zhì)量因子）來表示。Q值其實(shí)就是電阻抗（reactive impedance）（Xc）和實(shí)際阻抗（Rc）的比值，如公式 （2） 所示，而其中ESR則是指電容器的“等效串聯(lián)電阻”。

公式（2）

降低特定C（電容器）的ESR，自然就能提高Q值。而RF-MEMS梁（beam）上的金屬走線能提供極低ESR，且比起其他技術(shù)要低很多。在1GHz測(cè)量晶圓上所測(cè)得的RF-MEMS技術(shù)Q值，通常超過200。相比之下，同頻率典型CMOS電子器件的Q值，則通常不到30。

線性度

手機(jī) RF前端器件的線性度，通常都是指雙頻的輸入三階截點(diǎn)（Input Third-Order Intercept Point，IIP3）。RF-MEMS器件一般都是極具線性的，但卻對(duì)雙頻的間距有點(diǎn)敏感。兩個(gè)相近的頻調(diào)組合創(chuàng)造出電壓包絡(luò)，而其峰值為各頻調(diào)之電壓總和加上兩個(gè)頻調(diào)差之間的低拍頻變化。若該拍頻低于或接近RF-MEMS器件的機(jī)械共振頻率，就會(huì)測(cè)得較高的非線性度。正如前述，機(jī)械共振會(huì)發(fā)生在 50-100kHz 區(qū)間。故當(dāng)頻調(diào)間距在此范圍內(nèi)，MEMS器件的IIP3就約為+70dBm;若頻調(diào)間距更寬，其線性度就能提升至+80dBm以上。

另外要注意，如果晶粒沒有正確接地，則在MEMS器件上的RF走線間與遮蔽下的CMOS電路，就可能產(chǎn)生調(diào)變。而此調(diào)變現(xiàn)象可能增加非線性度，因此確保晶粒正確接地是非常重要的。

參數(shù)指數(shù)（FOM）

為了監(jiān)控及對(duì)比最先進(jìn)的可調(diào)諧電容器，這里使用了一般的參數(shù)指數(shù)（Figure of Merit，F(xiàn)OM）。此 FOM能快速評(píng)估所有可調(diào)諧電容器技術(shù)，檢測(cè)其損耗范圍、電容率、功率承載力（power handling）及成本（晶粒面積）等。

公式（3）

V2 是電容器兩端最大電壓的RMS（Root-Mean-Square，均方根值）

Die Area 是指定電容所需晶粒面積

Ron 是接通狀態(tài)下的總串聯(lián)電阻

可靠度

除了所有半導(dǎo)體器件都須具備的可靠度條件外，這種接觸型MEMS器件還有額外的二類可靠度問題須關(guān)注：

? 粘附（Stiction），由兩個(gè)電容極板形成的聯(lián)結(jié)，無法松開

? 磨損（Wear-out），因長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)使用而造成器件特性改變

粘附通常都是隨機(jī)發(fā)生的，且可通過MEMS器件的設(shè)計(jì)方式來控制，以避免介質(zhì)表面的金屬與金屬部分，以及（或）高電場(chǎng)部分有密切接觸。目前市面上的最佳器件皆經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計(jì)，可避免驅(qū)動(dòng)器相互接觸，而唯一會(huì)產(chǎn)生接觸現(xiàn)象的區(qū)域，就只有電容器部分。因此已可確定不會(huì)發(fā)生粘附問題。

至于磨損，是器件失效的常見因素，且可通過妥善設(shè)計(jì)機(jī)械MEMS梁（beam）與接觸區(qū)的方式來控制。完整的產(chǎn)品級(jí)數(shù)組包含幾十個(gè)RF-MEMS電容器件，能持續(xù)運(yùn)作超過150 x 106個(gè)周期，而一個(gè)周期是指每一次客戶通過SPI或RFFE接口進(jìn)行的狀態(tài)更改。

電壓限制

自行驅(qū)動(dòng)

MEMS器件是由集成電荷泵所產(chǎn)生的高階直流電壓所驅(qū)動(dòng)。當(dāng)此電壓通過與電容極板相接的驅(qū)動(dòng)器接頭時(shí)，極板便會(huì)因靜電力而被拉在一起。這就是電容從Cmin切換Cmax的原理。

RF信號(hào)也是隨時(shí)間變化形成電壓。此電壓以RF頻率震蕩，通常遠(yuǎn)高于MEMS器件的自我共振頻率。因此，RF電壓不會(huì)“直接”調(diào)變MEMS器件。然而，器件是靠包含直流電與二次諧波的電壓平方所驅(qū)動(dòng)。這種有效的直流電壓，就稱為RMS（Root-Mean-Square均方根）電壓（見圖3）。RF信號(hào)的 RMS電壓若太高，就會(huì)造成MEMS器件“自行驅(qū)動(dòng)”，因而造成即使程序要求轉(zhuǎn)為低電容，器件卻仍處于高電容狀態(tài)的問題。要在手機(jī)前端達(dá)到如此高的電壓，就需要高功率，通常要在36dBm以上，而在過濾器中或某些高度不協(xié)調(diào)的狀況下，便可能發(fā)生高阻抗共振情形。因此，在RF的最大RMS電壓通過驅(qū)動(dòng)器終端時(shí)，就必須指定一個(gè)電容。

功率與電壓的關(guān)系就如公式 （4） 所示，其中Z為系統(tǒng)的特性阻抗（通常為50Ω），而Vpeak是RF電壓的峰值，如圖3所示。RMS電壓則可用公式 （5） 算出。

公式（4）

圖 3 Vrms 是 RF 信號(hào)所產(chǎn)生之直流電壓

（若要運(yùn)用此圖，你還需有0電位的基準(zhǔn)，以及Vpeak 值）

公式（5）

以50Ω的系統(tǒng)來說，Vrms 就是

自行驅(qū)動(dòng)并不會(huì)造成器件毀損。因此，根據(jù)電路配置和規(guī)格偏差容許度不同，在電壓“絕對(duì)最大”的狀況下，仍有可能再次產(chǎn)生上述的自我驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象。

熱調(diào)諧

RF-MEMS器件會(huì)因高電壓驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的靜電力而閉合，且會(huì)隨著驅(qū)動(dòng)電壓的移除而打開。一旦靜電力消失，梁（beam）的彈力就會(huì)將RF-MEMS器件恢復(fù)為打開狀態(tài)?；诟鞣N原因，這種彈力通常會(huì)比靜電力小。

恢復(fù)彈力較低就表示器件一旦閉合后，將只在驅(qū)動(dòng)電壓降至“釋放電壓”以下時(shí)才會(huì)重新打開。RF-MEMS電容器的釋放電壓遠(yuǎn)低于驅(qū)動(dòng)電壓，大約只有8V。在一般運(yùn)作情況下并不構(gòu)成問題，因?yàn)榧呻娙萜黩?qū)動(dòng)程序會(huì)徹底移除驅(qū)動(dòng)電壓以打開電容器。

若RF信號(hào)中的RMS電壓通過某個(gè)MEMS電容，且該電壓超過釋放電壓，就會(huì)造成已驅(qū)動(dòng)的MEMS器件無法打開。這會(huì)限制電容器切換至低電容狀態(tài)時(shí)可提供的RF功率。此時(shí)的功率等級(jí)，又會(huì)再次因電路配置和負(fù)載阻抗（load impedance）而產(chǎn)生不同程度的問題（VSWR，電壓駐波比），因此除非已知電路配置，否則熱調(diào)諧范圍就必須依據(jù)RMS釋放電壓來設(shè)定。

在一般的通信系統(tǒng)中，調(diào)諧器通常會(huì)在數(shù)據(jù)傳送流的暫停期間被重新設(shè)定。這就是所謂WCDMA的“壓縮模式”，或DTX的一般通信狀態(tài)。另外，許多需要熱調(diào)諧的系統(tǒng)都以較低的RMS電壓運(yùn)作，所以一般不需要超出全功率范圍的熱調(diào)諧功能。

應(yīng)用

饋電點(diǎn)調(diào)諧器

許多商業(yè)通信系統(tǒng)可因高性能的可調(diào)諧RF器件而獲益。手機(jī)和便攜式平板計(jì)算機(jī)兩種平臺(tái)的操作經(jīng)驗(yàn)也深受天線功能的制約。尺寸上的限制，讓天線設(shè)計(jì)人員很難在50Ω的器件設(shè)計(jì)出足以匹配各頻段運(yùn)作的天線。目前各手機(jī)平臺(tái)都不斷增加頻段，這使得問題更加惡化。于是天線設(shè)計(jì)人員被迫犧牲天線的輻射效率（radiation efficiency）以便匹配各頻段運(yùn)作能力。

可調(diào)諧RF器件可應(yīng)用于建立饋電點(diǎn)調(diào)諧器，以優(yōu)化天線的各個(gè)頻段，達(dá)到最大輻射效率，而不只局限于50Ω。此調(diào)諧器將能針對(duì)各波段操作進(jìn)行調(diào)整，使收發(fā)器符合天線負(fù)載。目前的WiSpry調(diào)諧器產(chǎn)品的調(diào)節(jié)能力超過19:1 VSWR，且只要使用專用寬帶電路配置即能跨824至2170MHz頻段。

目前，WiSpry調(diào)諧器產(chǎn)品采取開環(huán)（open-loop）控制。在這種配置狀態(tài)下，是采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字總線格式的手機(jī)芯片組中的一個(gè)處理器（通常是基頻處理器，但非絕對(duì)）來進(jìn)行控制。至于下一代的調(diào)諧器產(chǎn)品，將于內(nèi)部環(huán)路中加入閉環(huán)（closed-loop）調(diào)諧應(yīng)用、功率傳感器與反饋控制器等。這樣一來，傳感器也要檢測(cè)功率低于熱調(diào)諧水平的情況，并及時(shí)更改配置。

天線負(fù)載調(diào)諧器

天線負(fù)載調(diào)諧器能利用可調(diào)諧RF-MEMS電容器器件，通過直接將可變負(fù)載加進(jìn)天線結(jié)構(gòu)的方式，直接更改天線共振，讓天線能靠著調(diào)諧設(shè)定來反應(yīng)不同變化。而這是另一種折衷輻射效率和符合多頻段的方法。

可調(diào)諧濾波器

可調(diào)諧 RF器件也可用于共振電路配置，并在特定頻率提供帶拒或帶通響應(yīng)。這些響應(yīng)都可用于RF-MEMS電容器調(diào)節(jié)，且能提供控制效果良好的數(shù)字可調(diào)諧RF濾波器功能。

可調(diào)式功率放大器

RF-MEMS器件也可調(diào)節(jié)功率放大器（PA），他可以優(yōu)化PA并使之適應(yīng)各種不同運(yùn)作模式（線性與非線性）、功率等級(jí)和頻率?；谛士紤]，大部分的商用PA都運(yùn)用傳統(tǒng)的梯形網(wǎng)絡(luò)來配合輸出，而盡管電感應(yīng)只能通過傳統(tǒng)、不可調(diào)節(jié)的方式達(dá)成，RF-MEMS電容器卻能提供可調(diào)節(jié)的電容器件。

總結(jié)

上述各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，為手機(jī)產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)帶來了許多好處。運(yùn)營商能以較低的基礎(chǔ)設(shè)備成本來增加網(wǎng)絡(luò)帶寬、增進(jìn)可用性與區(qū)域平臺(tái)的程序可編程性，更有機(jī)會(huì)通過更高質(zhì)量的服務(wù)及提升客戶滿意度的方式，達(dá)到減少客戶流失的目標(biāo)。手機(jī)制造商能實(shí)現(xiàn)多 dBs的性能增益，并降低物料清單成本（BOM）、復(fù)雜度，還能做出更小巧輕薄的外觀、降低庫存量（SKU），并讓產(chǎn)品快速上市。而用戶則能減低電話漏接幾率，使電池壽命延長(zhǎng)35%以上，且可以用更低的價(jià)格買到更多功能的手機(jī)，還可隨時(shí)隨地立即通話。擁有這些優(yōu)勢(shì)的可調(diào)諧RF，想必能成為L(zhǎng)TE的中流砥柱。