運(yùn)用可調(diào)諧射頻元件 優(yōu)化LTE天線性能與尺寸

2017-07-01  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

移動(dòng)設(shè)備的設(shè)計(jì)趨勢(shì)朝著輕薄短小發(fā)展,加上應(yīng)用頻段的增加,導(dǎo)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(diào)諧射頻元件能運(yùn)用體積更小但網(wǎng)絡(luò)性能更大的天線提升LTE性能,換句話說,只要將可調(diào)諧射頻元件附加于天線上,工程師就能設(shè)計(jì)出更小尺寸且更高性能的天線。

當(dāng)前長期演進(jìn)計(jì)劃(LTE)的發(fā)展勢(shì)頭迅猛,運(yùn)營商與手機(jī)制造商都深知4G網(wǎng)絡(luò)并非3G性能萎靡不振時(shí)的萬靈丹。事實(shí)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(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。麻煩的是,若要實(shí)現(xiàn)全球性的LTE,就必須運(yùn)用比3G更多的頻段,以往手持設(shè)備的基本需求為須具備七個(gè)頻段,而現(xiàn)在要達(dá)成真正的全球漫游則需十三個(gè)頻段以上。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)業(yè)者無不引頸盼望LTE能提供其承諾的投資回報(bào)率。

可調(diào)諧射頻元件日趨重要 RF-MEMS設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)出體積更小但性能更高的天線尤為關(guān)鍵,而動(dòng)態(tài)可調(diào)諧射頻(Dynamic Tunable RF)元件能運(yùn)用體積更小但網(wǎng)絡(luò)性能更大的天線來提升LTE性能,通過此技術(shù),便能解決業(yè)界人士所熟知的既有空間限制。

可調(diào)諧射頻元件系利用單一天線來接收更多頻率范圍,可進(jìn)一步減少手機(jī)實(shí)際運(yùn)作時(shí),所需搭載的整體天線數(shù)量,對(duì)多重輸入輸出(MIMO)技術(shù)趨勢(shì)而言,意義重大,因?yàn)樵谠摷夹g(shù)中,有多達(dá)四支各具不同功能的天線存在;而可調(diào)諧射頻通過最高效率進(jìn)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(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)(MEMS)技術(shù)能有效達(dá)成目的。而目前技術(shù)較為領(lǐng)先的可調(diào)諧射頻元件系采用數(shù)字電容數(shù)組,并利用RF-MEMS技術(shù)將電子電路整合于單一硅晶粒(Die)上,以同時(shí)兼顧性能及尺寸要求。

RF-MEMS技術(shù)架構(gòu)如圖1所示,各部元件包括上蓋(Lip)、倒裝芯片墊(Flop Chip Pad)、調(diào)諧電容器(Tunable Capacitor)、硅基板(Silicon Substrate)和固定的被動(dòng)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(shù)優(yōu)勢(shì)多

RF-MEMS電容器屬于機(jī)械元件,置于硅晶圓(Silicon Wafer)表面,其包含兩片金屬板,且會(huì)因外加電壓產(chǎn)生的靜電而靠在一起;此外,兩個(gè)金屬板之間還設(shè)有一絕緣層,如此即構(gòu)成電容器。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元件上的電流則只在金屬中流動(dòng),故損耗極低,且能進(jìn)行超線性運(yùn)作。

由于RF-MEMS電容器整合于單一互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)晶圓上,故所有控制MEMS的元件都存在于同一個(gè)晶粒上,這不僅節(jié)省路由空間,還將往來于控制線的信號(hào)耦合降至最低,這點(diǎn)特別重要,因?yàn)樵?dòng)時(shí)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(gè)CMOS晶粒上,其所需電壓就可由芯片上的整合電荷泵來產(chǎn)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(qū)動(dòng)程序都可內(nèi)建,而所有電容設(shè)定皆可通過緩存器(Register)來選擇,不論緩存器是通過業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的串行周邊接口(SPI)寫成,還是以行動(dòng)產(chǎn)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(jī)械結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的機(jī)械共振頻率較低,約為60kHz。這是因?yàn)檎谓Y(jié)桿(Beam)會(huì)以驅(qū)動(dòng)信號(hào)的半波長共振,故當(dāng)MEMS元件閉合,共振就不那么明顯,且會(huì)轉(zhuǎn)移為MHz的頻率。這種低機(jī)械共振頻率,造就其優(yōu)秀線性度,因?yàn)镸EMS元件并無法直接對(duì)GHz范圍的信號(hào)變化產(chǎn)生反應(yīng)。

RF-MEMS電容器掌傳輸 電容值/質(zhì)量因素須關(guān)注

在可變電容數(shù)組時(shí),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)比例非常重要。當(dāng)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(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),亦即“Cmax”。而電容率(Cratio)定義如公式1所示:

而數(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)。當(dāng)芯片上的MEMS元件設(shè)計(jì)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(shè)定為串聯(lián)狀態(tài),那么Cratio通常為15。請(qǐng)留意,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%。另外,若該元件被設(shè)定為并聯(lián)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Cmin值,此時(shí),Cratio則通常為7。

至于RF-MEMS電容器的質(zhì)量因子(Quality Factor)部分,其金屬結(jié)桿顯著的低電阻則提供關(guān)鍵的低耗損優(yōu)勢(shì)。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,其中ESR則是指電容器的「等效串聯(lián)電阻」。

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(jié)桿上的金屬走線便提供極低ESR,且比其他技術(shù)要低很多。舉例來說,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(jī)射頻前端元件的線性度,通常都是指雙頻的輸入三階交調(diào)載取點(diǎn)(Input Third-Order Intercept Point, IIP3)。RF-MEMS元件一般都是極具線性的,但卻對(duì)雙頻的間距有點(diǎn)敏感。例如兩個(gè)相近的頻段組合創(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(Beat Frequency)變化,若該拍頻低于或接近RF-MEMS元件的機(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50k~100kHz區(qū)間,故當(dāng)頻調(diào)間距在此范圍內(nèi),MEMS元件的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元件上的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。

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(duì)最先進(jìn)的可調(diào)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(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)及晶粒面積成本等。

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(gè)可調(diào)諧RF-MEMS元件的關(guān)鍵問題為可靠度,除了所有半導(dǎo)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(gè)可靠度問題須關(guān)注,包括黏附(Stiction),例如由兩個(gè)電容極板形成的聯(lián)結(jié),無法松開;以及磨損(Wear-out),主要系因長時(shí)間重復(fù)使用而造成元件特性改變。

首先,黏附通常是隨機(jī)發(fā)生的,可通過MEMS元件的設(shè)計(jì)方式來控制,以避免介質(zhì)表面的金屬與金屬部分,或高電場(chǎng)部分有密切接觸。目前市面上的最佳元件皆經(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(shè)計(jì)機(jī)械MEMS結(jié)桿與接觸區(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電容元件,能持續(xù)運(yùn)作超過150×106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。

功率/電壓息息相關(guān) 慎防自行驅(qū)動(dòng)為關(guān)鍵

由于MEMS元件是由整合電荷泵所產(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。

此外,射頻信號(hào)也是隨時(shí)間變化形成電壓,此電壓以射頻頻率震蕩,通常遠(yuǎn)高于MEMS元件的自我共振頻率;因此,射頻電壓不會(huì)“直接”調(diào)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(qū)動(dòng),這種有效直流電壓,稱為RMS電壓(圖3)。

圖3 Vrms是射頻信號(hào)所產(chǎn)生的直流電壓;若要運(yùn)用此圖,須有0電位的基準(zhǔn)及Vpeak值。

必須注意的是,若射頻信號(hào)的RMS電壓太高,就會(huì)造成MEMS元件“自行驅(qū)動(dòng)”,因而造成即使程序要求轉(zhuǎn)為低電容,元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,在射頻的最大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50歐姆),而Vpeak是RF電壓的峰值,如圖3所示。

此外,RMS電壓則可用公式5算出:

以50歐姆的系統(tǒng)來說,Vrms就是

,自行驅(qū)動(dòng)并不會(huì)造成元件毀損。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。

協(xié)助電容器開/關(guān) 熱調(diào)諧依RMS電壓而定

由于RF-MEMS元件會(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,因此,一旦靜電力消失,結(jié)桿的彈力就會(huì)將RF-MEMS元件恢復(fù)為打開狀態(tài)?；诟鞣N理由,這種彈力通常會(huì)比靜電力小。

恢復(fù)彈力較低就表示元件一旦閉合后,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,而RF-MEMS電容器的釋放電壓遠(yuǎn)低于驅(qū)動(dòng)電壓,大約只有8伏特。在一般運(yùn)作情況下并不構(gòu)成問題,因?yàn)檎想娙萜黩?qū)動(dòng)程序會(huì)徹底移除驅(qū)動(dòng)電壓以打開電容器。

若射頻信號(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元件無法打開,同時(shí)也會(huì)限制電容器切換至低電容狀態(tài)時(shí)可提供的射頻功率。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)生不同程度的問題如電壓駐波比(VSWR),故除非已知電路配置,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(diào)諧的系統(tǒng)都以較低的RMS電壓運(yùn)作,所以一般并不需要超出全功率范圍的熱調(diào)諧功能。

可調(diào)諧射頻應(yīng)用廣 導(dǎo)入移動(dòng)設(shè)備商機(jī)可期

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

為解決上述問題,可調(diào)諧射頻元件可應(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)成最大輻射效率,而不只局限于50歐姆。此調(diào)諧器將能針對(duì)各波段操作進(jìn)行調(diào)整,以讓收發(fā)器符合天線負(fù)載。舉例來說,專注于供應(yīng)可調(diào)諧射頻半導(dǎo)體產(chǎn)品的WiSpry,旗下的調(diào)諧器產(chǎn)品調(diào)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(diào)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(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)來進(jìn)行控制。至于下一代的調(diào)諧器,將于內(nèi)部環(huán)路中加入閉鎖回路(Closed-loop)調(diào)諧應(yīng)用、功率傳感器與反饋控制器等。這樣一來,傳感器也必須能偵測(cè)功率低于熱調(diào)諧水平的情況,并及時(shí)更改設(shè)定。

RF-MEMS具高度電容器調(diào)節(jié)能力

除了饋電點(diǎn)調(diào)諧器的應(yīng)用,可調(diào)諧射頻元件還能搭載于天線負(fù)載調(diào)諧器、可調(diào)諧濾波器,以及可調(diào)式功率放大器(PA)。首先,天線負(fù)載調(diào)諧器能利用可調(diào)諧RF-MEMS電容器元件,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,形成另一種折衷輻射效率和符合多頻段的方法。

其次,可調(diào)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(yīng),這些回應(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)諧射頻濾波器功能。

最后,針對(duì)可調(diào)式功率放大器的應(yīng)用,RF-MEMS元件也可加以調(diào)節(jié),并進(jìn)一步優(yōu)化,使其適應(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],大部分的商用功率放大器都運(yùn)用傳統(tǒng)的梯形網(wǎng)絡(luò)來配合輸出,相較于電感應(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)的電容元件。

可調(diào)諧射頻助拳 LTE系統(tǒng)再進(jìn)化

上述各項(xiàng)可調(diào)諧射頻元件的優(yōu)勢(shì),為手機(jī)產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)帶來許多好處,經(jīng)營者能以較低的基礎(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)成減少客戶流失的目標(biāo)。

此外,手機(jī)制造商除能實(shí)現(xiàn)多dBs的性能增益,并降低物料清單(BOM)成本及復(fù)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(chǎn)品快速上市。

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

作者:Art Morris,技術(shù)總監(jiān),WiSpry公司

以下是wiSpry關(guān)于可調(diào)諧RF趨勢(shì)的視頻演講:
http://www.mwrf.net/video/seminar/2013/2.html

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