運用可調諧射頻元件 優(yōu)化LTE天線性能與尺寸 - 全文

移動設備的設計趨勢朝著輕薄短小發(fā)展，加上應用頻段的增加，導致LTE天線可占用的空間逐漸縮小，性能要求卻更上層樓；而可調諧射頻元件能運用體積更小但網絡性能更大的天線提升LTE性能，換句話說，只要將可調諧射頻元件附加于天線上，工程師就能設計出更小尺寸且更高性能的天線。

當前長期演進計劃(LTE)的發(fā)展勢頭迅猛，運營商與手機制造商都深知4G網絡并非3G性能萎靡不振時的萬靈丹。事實上，完整的LTE解決方案包括提升速度、可靠度及一系列持續(xù)強化處理，以避免因網絡流量過大、數(shù)據使用量增加，還有外形尺寸限制等因素而造成的擁塞。

一般來說，高數(shù)據傳輸率中使用的調變方案較為復雜，對信號處理的要求也格外嚴格。麻煩的是，若要實現(xiàn)全球性的LTE，就必須運用比3G更多的頻段，以往手持設備的基本需求為須具備七個頻段，而現(xiàn)在要達成真正的全球漫游則需十三個頻段以上。更重要的是，天線的性能限制嚴重威脅到速度，這使得多功能服務業(yè)者無不引頸盼望LTE能提供其承諾的投資回報率。

可調諧射頻元件日趨重要　RF-MEMS設計居要位

考慮到天線在LTE中的重要性日增，如何協(xié)助工程師設計出體積更小但性能更高的天線尤為關鍵，而動態(tài)可調諧射頻(Dynamic Tunable RF)元件能運用體積更小但網絡性能更大的天線來提升LTE性能，通過此技術，便能解決業(yè)界人士所熟知的既有空間限制。

可調諧射頻元件系利用單一天線來接收更多頻率范圍，可進一步減少手機實際運作時，所需搭載的整體天線數(shù)量，對多重輸入輸出(MIMO)技術趨勢而言，意義重大，因為在該技術中，有多達四支各具不同功能的天線存在；而可調諧射頻通過最高效率進行發(fā)送與接收，較不受其他干擾源(如頭和手的位置)的影響。

值得一提的是，在少數(shù)已進入市場的天線問題補償方案中，只有動態(tài)可調諧射頻微機電系統(tǒng)(MEMS)技術能有效達成目的。而目前技術較為領先的可調諧射頻元件系采用數(shù)字電容數(shù)組，并利用RF-MEMS技術將電子電路整合于單一硅晶粒(Die)上，以同時兼顧性能及尺寸要求。

RF-MEMS技術架構如圖1所示，各部元件包括上蓋(Lip)、倒裝芯片墊(Flop Chip Pad)、調諧電容器(Tunable Capacitor)、硅基板(Silicon Substrate)和固定的被動與連接元件(Fixed Passives & Interconnect)。

圖1　RF-MEMS元件的橫切面

損耗低/空間小　RF-MEMS技術優(yōu)勢多

RF-MEMS電容器屬于機械元件，置于硅晶圓(Silicon Wafer)表面，其包含兩片金屬板，且會因外加電壓產生的靜電而靠在一起；此外，兩個金屬板之間還設有一絕緣層，如此即構成電容器。相對于一般以電流通過半導體基板的實體開關，在RF-MEMS元件上的電流則只在金屬中流動，故損耗極低，且能進行超線性運作。

由于RF-MEMS電容器整合于單一互補式金屬氧化物半導體(CMOS)晶圓上，故所有控制MEMS的元件都存在于同一個晶粒上，這不僅節(jié)省路由空間，還將往來于控制線的信號耦合降至最低，這點特別重要，因為元件啟動時往往需要約35伏特直流電(VDC)的高電壓。

既然RF-MEMS電容器位在同一個CMOS晶粒上，其所需電壓就可由芯片上的整合電荷泵來產生，如此一來，唯一需要的外部電源電壓只需2.7～3.3伏特即足夠。此外，所有元件的驅動程序都可內建，而所有電容設定皆可通過緩存器(Register)來選擇，不論緩存器是通過業(yè)界標準的串行周邊接口(SPI)寫成，還是以行動產業(yè)處理器接口(MIPI)聯(lián)盟的射頻前端控制(RFFE)串行接口寫成。

另外，RF-MEMS元件的機械結構所產生的機械共振頻率較低，約為60kHz。這是因為整段結桿(Beam)會以驅動信號的半波長共振，故當MEMS元件閉合，共振就不那么明顯，且會轉移為MHz的頻率。這種低機械共振頻率，造就其優(yōu)秀線性度，因為MEMS元件并無法直接對GHz范圍的信號變化產生反應。

RF-MEMS電容器掌傳輸　電容值/質量因素須關注

在可變電容數(shù)組時，數(shù)組中各獨立電容的“開/關”比例，以及整個數(shù)組的開/關比例非常重要。當MEMS元件被“抬起”或未被接觸，電容器就處于最小電容狀態(tài)，亦即“Cmin”。同樣的，當電容器被驅動，且位于“閉合”位置，電容器就會處于最大電容狀態(tài)，亦即“Cmax”。而電容率(Cratio)定義如公式1所示：
‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式1
而數(shù)組中的每個電容都有類似圖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之間調節(jié)。當芯片上的MEMS元件設計影響這些寄生電容值，C1和C2就不相等。

圖2　MEMS電容器模型

值得注意的是，若該元件被設定為串聯(lián)狀態(tài)，那么Cratio通常為15。請留意，還會有些接地的并聯(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%。另外，若該元件被設定為并聯(lián)狀態(tài)，例如Port B接地，其中一個寄生電容C1則與并聯(lián)數(shù)字電容器并聯(lián)，因而增加Cmin值，此時，Cratio則通常為7。

至于RF-MEMS電容器的質量因子(Quality Factor)部分，其金屬結桿顯著的低電阻則提供關鍵的低耗損優(yōu)勢。低耗損在一般規(guī)格中以“Q值”(質量因子)來表示，Q值其實就是電阻抗(Reactive Impedance)(Xc)和實際阻抗(Rc)的比值，如公式2所示，其中ESR則是指電容器的「等效串聯(lián)電阻」。
‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式2

因此，若降低特定電容器(C)的ESR，自然就能提高Q值，而RF-MEMS結桿上的金屬走線便提供極低ESR，且比其他技術要低很多。舉例來說，在1GHz測量晶圓上所測得的RF-MEMS技術Q值，通常超過200，相較之下，同頻率的典型CMOS電子元件的Q值，則通常不到30。

確保晶粒正確接地維持線性度 
 
手機射頻前端元件的線性度，通常都是指雙頻的輸入三階交調載取點(Input Third-Order Intercept Point, IIP3)。RF-MEMS元件一般都是極具線性的，但卻對雙頻的間距有點敏感。例如兩個相近的頻段組合創(chuàng)造出電壓包絡，而其峰值為各頻調之電壓總和加上兩個頻調差之間的低拍頻(Beat Frequency)變化，若該拍頻低于或接近RF-MEMS元件的機械共振頻率，就會測得較高的非線性度。

正如前述，機械共振會發(fā)生在50k～100kHz區(qū)間，故當頻調間距在此范圍內，MEMS元件的IIP3就約為70dBm；若頻調間距更寬，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元件上的RF走線間與遮蔽下的CMOS電路，就可能產生調變，而此調變現(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。

監(jiān)控元件性能　參數(shù)指數(shù)/可靠度角色吃重

為監(jiān)控及比對最先進的可調諧電容器，須使用一般的參數(shù)指數(shù)(Figure of Merit, FOM)，表示方式如公式3，其能快速評估所有可調諧電容器技術，檢測其損耗范圍、電容率、功率承載力(Power Handling)及晶粒面積成本等。
‥公式3

其中CR為電容率：Con/Coff；V2是電容器兩端最大電壓的均方根值(Root-Mean-Square, RMS)；Die Area是指定電容所需的晶粒面積；Ron是接通狀態(tài)下的總串聯(lián)電阻。

另一個可調諧RF-MEMS元件的關鍵問題為可靠度，除了所有半導體元件都須具備的可靠度條件外，這種接觸型MEMS元件還有額外的二個可靠度問題須關注，包括黏附(Stiction)，例如由兩個電容極板形成的聯(lián)結，無法松開；以及磨損(Wear-out)，主要系因長時間重復使用而造成元件特性改變。

首先，黏附通常是隨機發(fā)生的，可通過MEMS元件的設計方式來控制，以避免介質表面的金屬與金屬部分，或高電場部分有密切接觸。目前市面上的最佳元件皆經過仔細設計，可避免驅動器相互接觸，而唯一會產生接觸現(xiàn)象的區(qū)域，就只有電容器部分，因此已可確定不會發(fā)生黏附問題。

至于磨損則是元件失效的常見因素，可通過妥善設計機械MEMS結桿與接觸區(qū)的方式來控制。完整的產品級數(shù)組包含幾十個RF-MEMS電容元件，能持續(xù)運作超過150×106個周期，而一個周期是指每一次客戶通過SPI或RFFE接口進行的狀態(tài)更改。

功率/電壓息息相關　慎防自行驅動為關鍵

由于MEMS元件是由整合電荷泵所產生的高階直流電壓所驅動，當此電壓通過與電容極板相接的驅動器接頭時，極板便會因靜電力而被拉在一起，這就是電容從Cmin切換Cmax的原理。

此外，射頻信號也是隨時間變化形成電壓，此電壓以射頻頻率震蕩，通常遠高于MEMS元件的自我共振頻率；因此，射頻電壓不會“直接”調變MEMS元件。然而，元件是靠包含直流電與二次諧波的電壓平方所驅動，這種有效直流電壓，稱為RMS電壓(圖3)。

圖3 Vrms是射頻信號所產生的直流電壓；若要運用此圖，須有0電位的基準及Vpeak值。

必須注意的是，若射頻信號的RMS電壓太高，就會造成MEMS元件“自行驅動”，因而造成即使程序要求轉為低電容，元件卻仍處于高電容狀態(tài)的問題。要在手機前端達到如此高的電壓，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)調的狀況下，便可能發(fā)生高阻抗共振情形。因此，在射頻的最大RMS電壓通過驅動器終端時，就必須指定一個電容。

功率與電壓的關系就如公式4所示，其中Z為系統(tǒng)的特性阻抗(通常為50歐姆)，而Vpeak是RF電壓的峰值，如圖3所示。
‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式4  
此外，RMS電壓則可用公式5算出：
‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式5 
以50歐姆的系統(tǒng)來說，Vrms就是

，自行驅動并不會造成元件毀損。因此，根據電路配置和規(guī)格偏差容許度不同，在電壓“絕對最大”的狀況下，仍有可能再次產生上述的自我驅動現(xiàn)象。

協(xié)助電容器開/關　熱調諧依RMS電壓而定

由于RF-MEMS元件會因高電壓驅動器產生的靜電力而閉合，且會隨著驅動電壓的移除而打開，因此，一旦靜電力消失，結桿的彈力就會將RF-MEMS元件恢復為打開狀態(tài)?；诟鞣N理由，這種彈力通常會比靜電力小。

恢復彈力較低就表示元件一旦閉合后，將只在驅動電壓降至“釋放電壓”以下時才會重新打開，而RF-MEMS電容器的釋放電壓遠低于驅動電壓，大約只有8伏特。在一般運作情況下并不構成問題，因為整合電容器驅動程序會徹底移除驅動電壓以打開電容器。

若射頻信號中的RMS電壓通過某個MEMS電容，且該電壓超過釋放電壓，就會造成已驅動的MEMS元件無法打開，同時也會限制電容器切換至低電容狀態(tài)時可提供的射頻功率。此時的功率等級，又會再次因電路配置和負載阻抗(Load Impedance)而產生不同程度的問題如電壓駐波比(VSWR)，故除非已知電路配置，否則熱調諧范圍就必須依據RMS釋放電壓來設定。

在一般的通信系統(tǒng)中，調諧器通常會在數(shù)據傳送流的暫停期間被重新設定，這就是所謂寬帶分碼多重接取(WCDMA)的“壓縮模式”，或非連續(xù)發(fā)射(DTX)的一般通信狀態(tài)。另外，許多需要熱調諧的系統(tǒng)都以較低的RMS電壓運作，所以一般并不需要超出全功率范圍的熱調諧功能。

可調諧射頻應用廣　導入移動設備商機可期

許多商業(yè)通信系統(tǒng)可因高性能的可調諧射頻元件而獲益，如手機和可攜式平板計算機二種平臺的操作經驗深受天線功能的制約。其中，尺寸上的限制，常讓天線設計人員束手束腳，以至于很難在50歐姆的元件限制中，設計出足以匹配各頻段運作的天線，尤其是目前各種手機不斷增加頻段，將使得問題更加惡化，迫使天線設計人員犧牲天線的輻射效率(Radiation Efficiency)，以便匹配各頻段運作能力。

為解決上述問題，可調諧射頻元件可應用于建立饋電點調諧器，以優(yōu)化天線的各個頻段，達成最大輻射效率，而不只局限于50歐姆。此調諧器將能針對各波段操作進行調整，以讓收發(fā)器符合天線負載。舉例來說，專注于供應可調諧射頻半導體產品的WiSpry，旗下的調諧器產品調節(jié)能力均超過19：1 VSWR，且只要使用專用寬帶電路配置即能跨824M～2,170MHz頻段。

不僅如此，WiSpry調諧器采取開放回路(Open-loop)控制，在這種配置狀態(tài)下，WiSpry采用業(yè)界標準數(shù)字總線格式的手機芯片組中的一個處理器(通常是基頻處理器)來進行控制。至于下一代的調諧器，將于內部環(huán)路中加入閉鎖回路(Closed-loop)調諧應用、功率傳感器與反饋控制器等。這樣一來，傳感器也必須能偵測功率低于熱調諧水平的情況，并及時更改設定。

RF-MEMS具高度電容器調節(jié)能力

除了饋電點調諧器的應用，可調諧射頻元件還能搭載于天線負載調諧器、可調諧濾波器，以及可調式功率放大器(PA)。首先，天線負載調諧器能利用可調諧RF-MEMS電容器元件，通過直接將可變負載加進天線結構的方式，直接更改天線共振，讓天線能靠著調諧設定來反應不同變化，形成另一種折衷輻射效率和符合多頻段的方法。

其次，可調諧射頻元件則可用于共振電路配置，并在特定頻率提供一帶拒或帶通響應，這些回應都可用于RF-MEMS電容器調節(jié)，且能提供控制效果良好的數(shù)字可調諧射頻濾波器功能。

最后，針對可調式功率放大器的應用，RF-MEMS元件也可加以調節(jié)，并進一步優(yōu)化，使其適應各種不同運作模式(線性與非線性)、功率等級和頻率?；谛士紤]，大部分的商用功率放大器都運用傳統(tǒng)的梯形網絡來配合輸出，相較于電感應只能通過傳統(tǒng)、不可調節(jié)的方式達成，RF-MEMS電容器卻能提供可調節(jié)的電容元件。

可調諧射頻助拳　LTE系統(tǒng)再進化

上述各項可調諧射頻元件的優(yōu)勢，為手機產業(yè)各環(huán)節(jié)帶來許多好處，經營者能以較低的基礎設備成本來增加網絡帶寬、增進可用性與區(qū)域平臺的程序可編程性，更有機會通過更高質量的服務及提升客戶滿意度的方式，達成減少客戶流失的目標。

此外，手機制造商除能實現(xiàn)多dBs的性能增益，并降低物料清單(BOM)成本及復雜度之外，還能做出更小巧輕薄的外觀、降低庫存量(SKU)，并讓產品快速上市。

而用戶方面則能減低電話漏接機率，并能使電池壽命延長35%以上，且可用更低的價格買到更多功能的手機，還能隨時隨地立即通話。擁有這些優(yōu)勢的可調諧射頻技術，未來可望成為LTE的中流砥柱。