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文檔簡介
可調(diào)諧RF激活你的LTE投資ArtMorris/WiSpry當(dāng)LTE(LongTermEvolution,長期演進(jìn)技術(shù))的部署氣勢重新抬頭,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(MultipleInputMultipleOutput,多重輸入多重輸出技術(shù))的趨勢來看,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(siliconwafer)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35VDC)。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MIPIRFFE串行接口。
圖1RF-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2MEMS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PortB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(QualityFactor)部分,顯著降低金屬梁(beam)電阻則提供了關(guān)鍵優(yōu)勢: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(reactiveimpedance)(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測量晶圓上所測得的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)(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(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)(FigureofMerit,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(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150x106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3Vrms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)。基于各種原因,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(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(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(radiationefficiency)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19:1VSWR,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(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)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。基于效率考慮,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
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