可调谐RF激活你的LTE投资

Art Morris / WiSpry

当 LTE（Long Term Evolution，长期演进技术）的部署气势重新抬头，企业经营者与手机制造商都该明白，4G网络并非3G性能萎靡不振时的万灵丹。事实上，大家必须了解，完整的LTE解决方案包括了提升速度与可靠度，以及一系列持续强化处理，以避免因网络流量过大、数据使用量增加，还有外形尺寸限制等因素而造成的拥塞。

一般来说，高数据传输率中使用的调变方案较为复杂，对信号处理的要求也格外严格。更麻烦的是，若要实现全球LTE，就必须使用比3G更多的频段，便携设备的基本需求需具备7波段，而要达到真正的全球漫游，则需13波段以上。另外，更重要的是，天线的性能限制严重威胁到速度，这使得多功能服务供应商无不翘首盼望，期待LTE能提供其承诺的投资回报率。

可调谐RF采用体积更小但网络性能更好的天线来提升LTE性能，也就是将可调谐RF器件附加到天线本身，这样工程师就能设计出体积更小但性能更高的天线。通过这种方式，可调谐RF成功解决了业界人士所熟知的空间限制。

另外，利用单一天线来接收更多频率范围的调谐功能，自然减少了手机实际运行时所需的整体天线数量。依据MIMO（Multiple Input Multiple Output，多重输入多重输出技术）的趋势来看，这点意义重大，因为在该技术中，有多达4根功能各自不同的天线存在。可调谐RF以最高效率进行发送与接收，而且不受其他干扰源（如头和手的位置）的影响。

解析高性能可调谐 RF 器件
在少数已进入市场的天线问题补偿方案中，只有动态可调谐射频微机电系统（RF-MEMS）技术能真正有效达到目的。

业界领先的可调谐RF器件，是采用数字电容数组，利用了RF-MEMS技术将电子电路集成于单一硅晶粒（die）上。

RF-MEMS电容器属于机械器件，置于硅晶圆（silicon wafer）表面，他包含两片金属板，且会因外加电压产生的静电而靠在一起。这两个金属板之间还设有一个绝缘层，这样就构成了电容器。相对于一般以电流通过半导体基板的实体开关，在RF-MEMS器件上的电流只在金属中流动，损耗极低，且能进行超线性运作。

由于RF-MEMS电容器集成于单一CMOS晶圆上，因此所有控制MEMS的器件也都在同一个晶粒上，不仅节省了路由空间，还将往来于控制线的信号耦合降至最低，这点很关键，因为器件启动时往往需要高电压（大约 35V DC）。既然RF-MEMS电容器位在同一个CMOS晶粒上，那么所需电压就由芯片上的集成电荷泵来产生，这样一来，唯一需要的外部电源电压，只需2.7-3.3V就够了。此外，所有器件的驱动程序都可内置，而所有电容设定都可通过寄存器来选择，不论寄存器是通过业界标准的SPI或MIPI RFFE串行接口。


图 1 RF-MEMS器件的横截面

RF-MEMS器件机械结构所产生的机械共振频率较低－约60kHz。这是因为整段梁（beam）会以驱动信号的半波长共振，所以当MEMS器件闭合，共振就不那么明显，且会转移为数兆赫频率。这种低机械共振频率，造就了其优秀线性度，因为MEMS器件是无法直接对千兆赫范围之信号变化产生反应的。

电容率
在可变电容数组中，数组中各独立电容的“开/关”比例，以及整个数组的“开/关”比例，都非常重要。当MEMS器件被“抬起”或未被接触，电容器就处于最小电容状态，即“C_min”。同样地，当电容器被驱动，且位于“闭合”位置，电容器就会处于最大电容状态，即“C_max”。而电容率（Cratio）的定义如公式 (1) 所示。

公式(1)

数组中的每个电容都有类似图2的模型存在。在此模型中，C1和C2代表接地的并联式寄生电容，通常就是接到装配环境与硅基板。而 C_series代表数字电容器，可在C_min和C_max之间调节。


图 2 MEMS电容器模型

当芯片上的MEMS器件设计影响了这些寄生电容值，C1和C2就不相等。

若该器件被设定为串联状态，那么 C_ratio 通常就是15。请注意，还会有些接地的并联式寄生电容存在，而其值将取决于电容器尺寸，通常为C_max的5-15%。

但若该器件被设定为并连状态，例如Port B接地，其中一个寄生电容C1则与并联数字电容器并联，因而增加了C_min值。此时，C_ratio 通常就为7。

质量因子（Q 值）
至于RF-MEMS电容器的质量因子（Quality Factor）部分，显著降低金属梁（beam）电阻则提供了关键优势：低耗损。这样的低耗损在一般规格中以“Q值”（质量因子）来表示。Q值其实就是电阻抗（reactive impedance）（X_c）和实际阻抗（R_c）的比值，如公式 (2) 所示，而其中ESR则是指电容器的“等效串联电阻”。

公式(2)

降低特定C（电容器）的ESR，自然就能提高Q值。而RF-MEMS梁（beam）上的金属走线能提供极低ESR，且比起其他技术要低很多。在1GHz测量晶圆上所测得的RF-MEMS技术Q值，通常超过200。相比之下，同频率典型CMOS电子器件的Q值，则通常不到30。

线性度
手机 RF前端器件的线性度，通常都是指双频的输入三阶截点（Input Third-Order Intercept Point，IIP3）。RF-MEMS器件一般都是极具线性的，但却对双频的间距有点敏感。两个相近的频调组合创造出电压包络，而其峰值为各频调之电压总和加上两个频调差之间的低拍频变化。若该拍频低于或接近RF-MEMS器件的机械共振频率，就会测得较高的非线性度。正如前述，机械共振会发生在 50-100kHz 区间。故当频调间距在此范围内，MEMS器件的IIP3就约为+70dBm；若频调间距更宽，其线性度就能提升至+80dBm以上。

另外要注意，如果晶粒没有正确接地，则在MEMS器件上的RF走线间与遮蔽下的CMOS电路，就可能产生调变。而此调变现象可能增加非线性度，因此确保晶粒正确接地是非常重要的。

参数指数（FOM）
为了监控及对比最先进的可调谐电容器，这里使用了一般的参数指数（Figure of Merit，FOM）。此 FOM能快速评估所有可调谐电容器技术，检测其损耗范围、电容率、功率承载力（power handling）及成本（晶粒面积）等。
公式(3)

          

其中：
C_R 为电容率：
V² 是电容器两端最大电压的RMS（Root-Mean-Square，均方根值）
Die Area 是指定电容所需晶粒面积
Ron 是接通状态下的总串联电阻

可靠度
除了所有半导体器件都须具备的可靠度条件外，这种接触型MEMS器件还有额外的二类可靠度问题须关注：
• 粘附（Stiction），由两个电容极板形成的联结，无法松开
• 磨损（Wear-out），因长时间重复使用而造成器件特性改变

粘附通常都是随机发生的，且可通过MEMS器件的设计方式来控制，以避免介质表面的金属与金属部分，以及（或）高电场部分有密切接触。目前市面上的最佳器件皆经过仔细设计，可避免驱动器相互接触，而唯一会产生接触现象的区域，就只有电容器部分。因此已可确定不会发生粘附问题。

至于磨损，是器件失效的常见因素，且可通过妥善设计机械MEMS梁（beam）与接触区的方式来控制。完整的产品级数组包含几十个RF-MEMS电容器件，能持续运作超过150 x 106个周期，而一个周期是指每一次客户通过SPI或RFFE接口进行的状态更改。

电压限制

自行驱动
MEMS器件是由集成电荷泵所产生的高阶直流电压所驱动。当此电压通过与电容极板相接的驱动器接头时，极板便会因静电力而被拉在一起。这就是电容从C_min切换C_max的原理。

RF信号也是随时间变化形成电压。此电压以RF频率震荡，通常远高于MEMS器件的自我共振频率。因此，RF电压不会“直接”调变MEMS器件。然而，器件是靠包含直流电与二次谐波的电压平方所驱动。这种有效的直流电压，就称为RMS（Root-Mean-Square均方根）电压（见图3）。RF信号的RMS电压若太高，就会造成MEMS器件“自行驱动”，因而造成即使程序要求转为低电容，器件却仍处于高电容状态的问题。要在手机前端达到如此高的电压，就需要高功率，通常要在36dBm以上，而在过滤器中或某些高度不协调的状况下，便可能发生高阻抗共振情形。因此，在RF的最大RMS电压通过驱动器终端时，就必须指定一个电容。

功率与电压的关系就如公式 (4) 所示，其中Z为系统的特性阻抗（通常为50Ω），而V_peak是RF电压的峰值，如图3所示。RMS电压则可用公式 (5) 算出。

公式(4)


图 3 Vrms 是 RF 信号所产生之直流电压
（若要运用此图，你还需有0电位的基准，以及Vpeak 值）


 公式(5)

以50Ω的系统来说，V_rms 就是

自行驱动并不会造成器件毁损。因此，根据电路配置和规格偏差容许度不同，在电压“绝对最大”的状况下，仍有可能再次产生上述的自我驱动现象。

热调谐
RF-MEMS器件会因高电压驱动器产生的静电力而闭合，且会随着驱动电压的移除而打开。一旦静电力消失，梁（beam）的弹力就会将RF-MEMS器件恢复为打开状态。基于各种原因，这种弹力通常会比静电力小。

恢复弹力较低就表示器件一旦闭合后，将只在驱动电压降至“释放电压”以下时才会重新打开。RF-MEMS电容器的释放电压远低于驱动电压，大约只有8V。在一般运作情况下并不构成问题，因为集成电容器驱动程序会彻底移除驱动电压以打开电容器。

若RF信号中的RMS电压通过某个MEMS电容，且该电压超过释放电压，就会造成已驱动的MEMS器件无法打开。这会限制电容器切换至低电容状态时可提供的RF功率。此时的功率等级，又会再次因电路配置和负载阻抗（load impedance）而产生不同程度的问题（VSWR，电压驻波比），因此除非已知电路配置，否则热调谐范围就必须依据RMS释放电压来设定。

在一般的通信系统中，调谐器通常会在数据传送流的暂停期间被重新设定。这就是所谓WCDMA的“压缩模式”，或DTX的一般通信状态。另外，许多需要热调谐的系统都以较低的RMS电压运作，所以一般不需要超出全功率范围的热调谐功能。

应用

馈电点调谐器

许多商业通信系统可因高性能的可调谐RF器件而获益。手机和便携式平板计算机两种平台的操作经验也深受天线功能的制约。尺寸上的限制，让天线设计人员很难在50Ω的器件设计出足以匹配各频段运作的天线。目前各手机平台都不断增加频段，这使得问题更加恶化。于是天线设计人员被迫牺牲天线的辐射效率（radiation efficiency）以便匹配各频段运作能力。

可调谐RF器件可应用于建立馈电点调谐器，以优化天线的各个频段，达到最大辐射效率，而不只局限于50Ω。此调谐器将能针对各波段操作进行调整，使收发器符合天线负载。目前的WiSpry调谐器产品的调节能力超过19:1 VSWR，且只要使用专用宽带电路配置即能跨824至2170MHz频段。

目前，WiSpry调谐器产品采取开环（open-loop）控制。在这种配置状态下，是采用业界标准数字总线格式的手机芯片组中的一个处理器（通常是基频处理器，但非绝对）来进行控制。至于下一代的调谐器产品，将于内部环路中加入闭环（closed-loop）调谐应用、功率传感器与反馈控制器等。这样一来，传感器也要检测功率低于热调谐水平的情况，并及时更改配置。

天线负载调谐器
天线负载调谐器能利用可调谐RF-MEMS电容器器件，通过直接将可变负载加进天线结构的方式，直接更改天线共振，让天线能靠着调谐设定来反应不同变化。而这是另一种折衷辐射效率和符合多频段的方法。

可调谐滤波器
可调谐 RF器件也可用于共振电路配置，并在特定频率提供带拒或带通响应。这些响应都可用于RF-MEMS电容器调节，且能提供控制效果良好的数字可调谐RF滤波器功能。

可调式功率放大器
RF-MEMS器件也可调节功率放大器（PA），他可以优化PA并使之适应各种不同运作模式（线性与非线性）、功率等级和频率。基于效率考虑，大部分的商用PA都运用传统的梯形网络来配合输出，而尽管电感应只能通过传统、不可调节的方式达成，RF-MEMS电容器却能提供可调节的电容器件。

总结
上述各项优势，为手机产业各环节带来了许多好处。运营商能以较低的基础设备成本来增加网络带宽、增进可用性与区域平台的程序可编程性，更有机会通过更高质量的服务及提升客户满意度的方式，达到减少客户流失的目标。手机制造商能实现多 dBs的性能增益，并降低物料清单成本（BOM）、复杂度，还能做出更小巧轻薄的外观、降低库存量（SKU），并让产品快速上市。而用户则能减低电话漏接几率，使电池寿命延长35%以上，且可以用更低的价格买到更多功能的手机，还可随时随地立即通话。拥有这些优势的可调谐RF，想必能成为LTE的中流砥柱。