兼顾LTE天线性能/尺寸，RF MEMS露锋芒
2013-09-22 14:12:00   来源：微迷   评论：0   点击：

当LTE的部署气势抬头，企业经营者与手机制造商都深知4G网络并非3G性能萎靡不振时的万灵丹。事实上，完整的LTE解决方案包括提升速度、可靠度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壅塞。

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。麻烦的是，若要实现全球性的LTE，就必须运用比3G更多的频段，以往手持设备的基本需求为须具备七个频段，而现在欲达成真正的全球漫游则需十三个频段以上。更重要的是，天线的性能限制严重威胁到速度，这使得多功能服务业者无不引颈盼望LTE能提供其承诺的投资报酬率。

可调谐射频元件抬头 RF MEMS设计居要角

因为天线在LTE中的重要性日增，如何协助工程师设计出体积更小但性能更高的天线至为关键，而动态可调谐射频(Dynamic Tunable RF)器件能运用体积更小但网络性能更大的天线来提升LTE性能，通过此技术，便能解决业界人士所熟知的既有空间限制。

可调谐射频器件是利用单一天线来接收更多频率范围，可进一步减少手机实际运作时，所需搭载的整体天线数量，对多重输入输出(MIMO)技术趋势而言，意义重大，因为在该技术中，有多达四支各具不同功能的天线存在；而可调谐射频通过最高效率进行发送与接收，较不受其他干扰源(如头和手的位置)的影响。

值得一提的是，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MEMS技术能有效达成目的。而目前技术较为领先的可调谐射频器件是采用数字电容阵列，并利用RF MEMS技术将电子电路整合于单一硅芯片上，以同时兼顾性能及尺寸要求。

RF MEMS技术架构如图1所示，各部组件包括上盖(Lip)、覆晶接合垫(Flop Chip Pad)、调谐电容器(Tunable Capacitor)、硅基板(Silicon Substrate)和固定的被动与连接元件(Fixed Passives & Interconnect)。

图1　RF MEMS器件的横截面

损耗低/空间小 RF MEMS技术优势多

RF MEMS电容器属于机械电子器件，置于硅晶圆表面，其包含两片金属板，且会因外加电压产生的静电而靠在一起；此外，两个金属板之间还设有一层绝缘层，如此即构成电容器。相对于一般以电流通过半导体基板的实体开关，在RF MEMS器件上的电流则只在金属中流动，故损耗极低，且能进行超线性工作。

由于RF MEMS电容器集成于单一互补式金属氧化物半导体(CMOS)晶圆上，故所有控制MEMS的元件都存在于同一个芯片上，这不仅节省路由空间，还将往来于控制线的信号耦合降至最低，这点特别重要，因为元件启动时往往需要约35伏特直流电(VDC)的高电压。

既然RF MEMS电容器位在同一个CMOS芯片上，其所需电压就可由芯片上的整合电荷泵来产生，如此一来，唯一需要的外部电源电压只需2.7～3.3伏特即足够。此外，所有元件的驱动程式都可内建，而所有电容设定皆可通过寄存器(Register)来选择，不论寄存器是通过业界标准的串列周边接口(SPI)写成，还是以行动产业处理器接口(MIPI)联盟的射频前端控制(RFFE)序列介面写成。

另外，RF MEMS元件的机械结构所产生的机械共振频率较低，约为60kHz。这是因为整段结杆(Beam)会以驱动信号的半波长共振，故当MEMS器件闭合，共振就不那么明显，且会转移为MHz的频率。这种低机械共振频率，造就其优秀线性度，因为MEMS器件并无法直接对GHz范围的信号变化产生反应。

RF MEMS电容器掌传输　电容值/品质因数须关注

在可变电容阵列时，阵列中各独立电容的「开/关」比例，以及整个阵列的开/关比例非常重要。当MEMS元件被「抬起」或未被接触，电容器就处于最小电容状态，亦即「Cmin」。同样的，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，亦即「Cmax」。而电容率(Cratio)定义如公式1所示：

而阵列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Cseries代表数位电容器，可在Cmin和Cmax之间调节。当晶片上的MEMS元件设计影响这些寄生电容值，C1和C2就不相等。

图2　MEMS电容器模型

值得注意的是，若该器件被设定为串联状态，那么Cratio通常为15。请留意，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Cmax的5～15%。另外，若该元件被设定为并联状态，例如Port B接地，其中一个寄生电容C1则与并联数位电容器并联，因而增加Cmin值，此时，Cratio则通常为7。

至于RF MEMS电容器的品质因数(Quality Factor)部分，其金属结杆显着的低电阻则提供关键的低耗损优势。低耗损在一般规格中以「Q值」(品质因数)来表示，Q值其实就是电阻抗(Reactive Impedance)(Xc)和实际阻抗(Rc)的比值，如公式2所示，其中ESR则是指电容器的「等效串联电阻」。

因此，若降低特定电容器(C)的ESR，自然就能提高Q值，而RF MEMS结杆上的金属走线便提供极低ESR，且比其他技术要低很多。举例来说，在1GHz测量晶圆上所测得的RF MEMS技术Q值，通常超过200，相较之下，同频率的典型CMOS电子元件的Q值，则通常不到30。

确保芯片正确接地维持线性度

手机射频前端元件的线性度，通常都是指双频的输入三阶交调载取点(Input Third-Order Intercept Point, IIP3)。RF MEMS元件一般都是极具线性的，但却对双频的间距有点敏感。例如两个相近的频段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(Beat Frequency)变化，若该拍频低于或接近RF MEMS元件的机械共振频率，就会测得较高的非线性度。

正如前述，机械共振会发生在50k～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，因此确保芯片正确接地是非常重要的。

监控器件性能 参数指数/可靠度角色吃重

为监控及比对最先进的可调谐电容器，须使用一般的参数指数(Figure of Merit, FOM)，表示方式如公式3，其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)及芯片面积成本等。

其中C_R为电容率：C_on/C_off；V²是电容器两端最大电压的均方根值(Root-Mean-Square, RMS)；Die Area是指定电容所需的芯片面积；R_on是接通状态下的总串联电阻。

另一个可调谐RF MEMS器件的关键问题为可靠度，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器件还有额外的二个可靠度问题须关注，包括黏附(Stiction)，例如由两个电容极板形成的联结，无法松开；以及磨损(Wear-out)，主要是因长时间重複使用而造成器件特性改变。

首先，黏附通常是随机发生的，可透过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，或高电场部分有密切接触。目前市面上的最佳元件皆经过仔细设计，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黏附问题。

至于磨损则是器件失效的常见因素，可通过妥善设计机械MEMS结杆与接触区的方式来控制。完整的产品级阵列包含几十个RF MEMS电容元件，能持续运作超过150×106个周期，而一个周期是指每一次客户透过SPI或RFFE介面进行的状态更改。

功率/电压息息相关 慎防自行驱动为关键

由于MEMS器件是由整合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Cmin切换Cmax的原理。

此外，射频讯号也是随时间变化形成电压，此电压以射频频率振荡，通常远高于MEMS器件的自我共振频率；因此，射频电压不会「直接」调变MEMS器件。然而，元件是靠包含直流电与二次谐波的电压平方所驱动，这种有效直流电压，称为RMS电压(图3)。

图3 Vrms是射频讯号所产生的直流电压；若要运用此图，须有0电位的基准及Vpeak值。

必须注意的是，若射频讯号的RMS电压太高，就会造成MEMS器件「自行驱动」，因而造成即使程式要求转为低电容，元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，在射频的最大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50欧姆)，而Vpeak是RF电压的峰值，如图3所示。

此外，RMS电压则可用公式5算出：

以50欧姆的系统来说，V_rms就是 ，自行驱动并不会造成元件毁损。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。

协助电容器开/关 热调谐依RMS电压而定

由于RF MEMS元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，因此，一旦静电力消失，结杆的弹力就会将RF MEMS元件恢复为打开状态。基于各种理由，这种弹力通常会比静电力小。

恢复弹力较低就表示元件一旦闭合后，将只在驱动电压降至「释放电压」以下时才会重新打开，而RF MEMS电容器的释放电压远低于驱动电压，大约只有8伏特。在一般运作情况下并不构成问题，因为整合电容器驱动程式会彻底移除驱动电压以打开电容器。

若射频信号中的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元件无法打开，同时也会限制电容器切换至低电容状态时可提供的射频功率。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如电压驻波比(VSWR)，故除非已知电路配置，否则热调谐范围就必须依据RMS释放电压来设定。

在一般的通讯系统中，调谐器通常会在资料传送流的暂停期间被重新设定，这就是所谓宽频分码多重接取(WCDMA)的「压缩模式」，或非连续发射(DTX)的一般通讯状态。另外，许多需要热调谐的系统都以较低的RMS电压运作，所以一般并不需要超出全功率范围的热调谐功能。

可调谐射频应用广 导入移动设备商机可期

许多商业通讯系统可因高效能的可调谐射频器件而获益，如手机和可携式平板电脑二种平台的操作经验深受天线功能的制约。其中，尺寸上的限制，常让天线设计人员绑手绑脚，以至于很难在50欧姆的元件限制中，设计出足以匹配各频段运作的天线，尤其是目前各种手机不断增加频段，将使得问题更加恶化，迫使天线设计人员牺牲天线的辐射效率(Radiation Efficiency)，以便匹配各频段运作能力。

为解决上述问题，可调谐射频元件可应用于建立馈电点调谐器，以最佳化天线的各个频段，达成最大辐射效率，而不只局限于50欧姆。此调谐器将能针对各波段操作进行调整，以让收发器符合天线负载。举例来说，专注于供应可调谐射频半导体产品的WiSpry，旗下的调谐器产品调节能力均超过19：1 VSWR，且只要使用专用宽频电路配置即能跨824M～2,170MHz频段。

不仅如此，WiSpry调谐器采取开放回路(Open-loop)控制，在这种配置状态下，WiSpry采用业界标准数字汇流排格式的手机芯片组中的一个处理器(通常是基频处理器)来进行控制。至于下一代的调谐器，将于内部环路中加入闭锁迴路(Closed-loop)调谐应用、功率感测器与反馈控制器等。这样一来，感测器也必须能侦测功率低于热调谐水准的情况，并及时更改设定。

RF MEMS具高度电容器调节能力

除了馈电点调谐器的应用，可调谐射频元件还能搭载于天线负载调谐器、可调谐滤波器，以及可调式功率放大器(PA)。首先，天线负载调谐器能利用可调谐RF MEMS电容器，透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，形成另一种折衷辐射效率和符合多频段的方法。

其次，可调谐射频器件则可用于共振电路配置，并在特定频率提供一带拒或带通回应，这些回应都可用于RF MEMS电容器调节，且能提供控制效果良好的数位可调谐射频滤波器功能。

最后，针对可调式功率放大器的应用，RF MEMS器件也可加以调节，并进一步最佳化，使其适应各种不同运作模式(线性与非线性)、功率等级和频率。基于效率考量，大部分的商用功率放大器都运用传统的梯形网路来配合输出，相较于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。

可调谐射频助拳 LTE系统再进化

上述各项可调谐射频器件的优势，为手机产业各环节带来许多好处，经营者能以较低的基础设备成本来增加网路频宽、增进可用性与区域平台的程式可编程性，更有机会通过更高品质的服务及提升客户满意度的方式，达成减少客户流失的目标。

此外，手机制造商除能实现多dBs的效能增益，并降低物料清单(BOM)成本及复杂度之外，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。

而使用者方面则能减低电话漏接机率，并能使电池寿命延长35%以上，且可用更低的价格买到更多功能的手机，还能随时随地立即通话。拥有这些优势的可调谐射频技术，未来可望成为LTE的中流砥柱。