可調(diào)諧RF激活你的LTE投資

可調(diào)諧RF激活你的LTE投資ArtMorris/WiSpry當LTE（LongTermEvolution，長期演進技術）的部署氣勢重新抬頭，企業(yè)經(jīng)營者與手機制造商都該明白，4G網(wǎng)絡并非3G性能萎靡不振時的萬靈丹。事實上，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)強化處理，以避免因網(wǎng)絡流量過大、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)變方案較為復雜，對信號處理的要求也格外嚴格。更麻煩的是，若要實現(xiàn)全球LTE，就必須使用比3G更多的頻段，便攜設備的基本需求需具備7波段，而要達到真正的全球漫游，則需13波段以上。另外，更重要的是，天線的性能限制嚴重威脅到速度，這使得多功能服務供應商無不翹首盼望，期待LTE能提供其承諾的投資回報率。

可調(diào)諧RF采用體積更小但網(wǎng)絡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，這樣工程師就能設計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，自然減少了手機實際運行時所需的整體天線數(shù)量。依據(jù)MIMO（MultipleInputMultipleOutput，多重輸入多重輸出技術）的趨勢來看，這點意義重大，因為在該技術中，有多達4根功能各自不同的天線存在?？烧{(diào)諧RF以最高效率進行發(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)已進入市場的天線問題補償方案中，只有動態(tài)可調(diào)諧射頻微機電系統(tǒng)（RF-MEMS）技術能真正有效達到目的。

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

RF-MEMS電容器屬于機械器件，置于硅晶圓（siliconwafer）表面，他包含兩片金屬板，且會因外加電壓產(chǎn)生的靜電而靠在一起。這兩個金屬板之間還設有一個絕緣層，這樣就構成了電容器。相對于一般以電流通過半導體基板的實體開關，在RF-MEMS器件上的電流只在金屬中流動，損耗極低，且能進行超線性運作。

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晶粒上，不僅節(jié)省了路由空間，還將往來于控制線的信號耦合降至最低，這點很關鍵，因為器件啟動時往往需要高電壓（大約35VDC）。既然RF-MEMS電容器位在同一個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，所有器件的驅動程序都可內(nèi)置，而所有電容設定都可通過寄存器來選擇，不論寄存器是通過業(yè)界標準的SPI或MIPIRFFE串行接口。

圖1RF-MEMS器件的橫截面

RF-MEMS器件機械結構所產(chǎn)生的機械共振頻率較低－約60kHz。這是因為整段梁（beam）會以驅動信號的半波長共振，所以當MEMS器件閉合，共振就不那么明顯，且會轉移為數(shù)兆赫頻率。這種低機械共振頻率，造就了其優(yōu)秀線性度，因為MEMS器件是無法直接對千兆赫范圍之信號變化產(chǎn)生反應的。

電容率

在可變電容數(shù)組中，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，都非常重要。當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)，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2MEMS電容器模型

當芯片上的MEMS器件設計影響了這些寄生電容值，C1和C2就不相等。

若該器件被設定為串聯(lián)狀態(tài)，那么Cratio通常就是15。請注意，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%。

但若該器件被設定為并連狀態(tài)，例如PortB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)，因而增加了Cmin值。此時，Cratio通常就為7。

質量因子（Q值）

至于RF-MEMS電容器的質量因子（QualityFactor）部分，顯著降低金屬梁（beam）電阻則提供了關鍵優(yōu)勢：低耗損。這樣的低耗損在一般規(guī)格中以“Q值”（質量因子）來表示。Q值其實就是電阻抗（reactiveimpedance）（Xc）和實際阻抗（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，且比起其他技術要低很多。在1GHz測量晶圓上所測得的RF-MEMS技術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RF前端器件的線性度，通常都是指雙頻的輸入三階截點（InputThird-OrderInterceptPoint，IIP3）。RF-MEMS器件一般都是極具線性的，但卻對雙頻的間距有點敏感。兩個相近的頻調(diào)組合創(chuàng)造出電壓包絡，而其峰值為各頻調(diào)之電壓總和加上兩個頻調(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50-100kHz區(qū)間。故當頻調(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)控及對比最先進的可調(diào)諧電容器，這里使用了一般的參數(shù)指數(shù)（FigureofMerit，F(xiàn)OM）。此FOM能快速評估所有可調(diào)諧電容器技術，檢測其損耗范圍、電容率、功率承載力（powerhandling）及成本（晶粒面積）等。

公式(3)

其中：

CR為電容率：

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

DieArea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注：

?粘附（Stiction），由兩個電容極板形成的聯(lián)結，無法松開

?磨損（Wear-out），因長時間重復使用而造成器件特性改變

粘附通常都是隨機發(fā)生的，且可通過MEMS器件的設計方式來控制，以避免介質表面的金屬與金屬部分，以及（或）高電場部分有密切接觸。目前市面上的最佳器件皆經(jīng)過仔細設計，可避免驅動器相互接觸，而唯一會產(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，且可通過妥善設計機械MEMS梁（beam）與接觸區(qū)的方式來控制。完整的產(chǎn)品級數(shù)組包含幾十個RF-MEMS電容器件，能持續(xù)運作超過150x106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。

電壓限制

自行驅動

MEMS器件是由集成電荷泵所產(chǎn)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。

RF信號也是隨時間變化形成電壓。此電壓以RF頻率震蕩，通常遠高于MEMS器件的自我共振頻率。因此，RF電壓不會“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動。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信號的RMS電壓若太高，就會造成MEMS器件“自行驅動”，因而造成即使程序要求轉為低電容，器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(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3Vrms是RF信號所產(chǎn)生之直流電壓

（若要運用此圖，你還需有0電位的基準，以及Vpeak值）

公式(5)

以50Ω的系統(tǒng)來說，Vrms就是

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

熱調(diào)諧

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

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

若RF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器件無法打開。這會限制電容器切換至低電容狀態(tài)時可提供的RF功率。此時的功率等級，又會再次因電路配置和負載阻抗（loadimpedance）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釋放電壓來設定。

在一般的通信系統(tǒng)中，調(diào)諧器通常會在數(shù)據(jù)傳送流的暫停期間被重新設定。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電壓運作，所以一般不需要超出全功率范圍的熱調(diào)諧功能。

應用

饋電點調(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。手機和便攜式平板計算機兩種平臺的操作經(jīng)驗也深受天線功能的制約。尺寸上的限制，讓天線設計人員很難在50Ω的器件設計出足以匹配各頻段運作的天線。目前各手機平臺都不斷增加頻段，這使得問題更加惡化。于是天線設計人員被迫犧牲天線的輻射效率（radiationefficiency）以便匹配各頻段運作能力。

可調(diào)諧RF器件可應用于建立饋電點調(diào)諧器，以優(yōu)化天線的各個頻段，達到最大輻射效率，而不只局限于50Ω。此調(diào)諧器將能針對各波段操作進行調(diào)整，使收發(fā)器符合天線負載。目前的WiSpry調(diào)諧器產(chǎn)品的調(diào)節(jié)能力超過19:1VSWR，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，但非絕對）來進行控制。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)諧應用、功率傳感器與反饋控制器等。這樣一來，傳感器也要檢測功率低于熱調(diào)諧水平的情況，并及時更改配置。

天線負載調(diào)諧器

天線負載調(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(diào)諧設定來反應不同變化。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。這些響應都可用于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PA都運用傳統(tǒng)的梯形網(wǎng)絡來配合輸出，而盡管電感應只能通過傳統(tǒng)、不可調(diào)節(jié)的方式達成，RF-MEMS電容器卻能提