借助RF MEMS可调电容　LTE天线设计更精巧
2013-11-11 09:54:40   来源：微迷   评论：0   点击：

借助RF MEMS可变电容　LTE天线设计更精巧

为兼顾轻薄短小外观与LTE多频多模设计要求，移动设备品牌商对可调式射频前端模组设计已日益重视。为此，台湾工研院日前已成功利用高阻值材料，开发出RF MEMS关键元件--可变电容，将有助天线系统设计人员，突破在有限空间内达成MIMO多天线的挑战。

随着长程演进计划（LTE）系统普及与手机朝轻薄短小设计演进，LTE天线可占用的空间日趋减少，频宽却须相对增加，造成天线效率降低。另外，在频谱资源有限，系统传输速度却仍须提升之下，多重输入多重输出（MIMO）通讯技术将会是未来天线的主流。然而，要在有限空间内配置二至四组天线，且彼此之间不互相干扰，挑战极高，因而成为近几年天线系统设计人员所钻研的重点。本文将分别就天线调节器（Antenna Tuner）及MIMO天线隔离器（Isolator）的应用，以及其中关键零组件--可变电容元件（VariCap）之技术做一说明，借此让读者对射频微机电系统（RF MEMS）技术有概略的认识。

借助可调RF前端模组　多频多模LTE天线高度集成

根据ABI Research预估，至2014年第四季，4G市场订户数将达一亿五千万人。目前各国大型的网路营运商均必须支援至少三至四个通讯标准，如2G、宽频分码多重接取（WCDMA）、全球卫星定位系统（GPS）、无线区域网络（Wi-Fi）等。为因应此一多面向的宽频联网需求，下世代的无线通讯平台除支援更高频宽之外（图1），多天线系统也是必备的条件，它还必须能随着通道环境的变化，选择不同频段进行信号的收发，以达到最佳的通信品质和吞吐量。

图1 各种无线通讯系统资料（传输频宽比较）

也因此，市场分析普遍认为：未来整个多频多模射频前端模组（RF Front-End Module）将采用可调技术，并依照市场的需求性与技术的成熟度，逐渐改为可调模组（图2）。

图2 射频前端模组演进趋势

一般认为，2013年率先登场且被广泛应用的将会是天线调节器，包含可调式阻抗匹配（Tunable Impedance Matching）与天线频率调整（Antenna Frequency Tuning）二种。其中，可调式阻抗匹配可用来增加收发讯号的强度、提升天线的效率及降低功率的损耗。另外，天线频率调整则可增加使用的频宽、缩小天线的尺寸及减少天线数量，符合智能手机日趋短小轻薄的应用。此外，预计2014年将推出可调式负载功率放大器（Tunable Power Amplifier Loading），以提升效率、增加频宽及降低功率损耗。最后，在2015~2016年会将可调式滤波器和双工器整合至射频前端模组，达到改善效率、减少尺寸及降低成本的目的。

导入天线调节器　LTE手机天线设计难题迎刃解

近年来，随着LTE系统在手机上使用愈来愈普及，工程师正面临三大技术困难点，包括如何有效扩增LTE手机天线支持的频段；手机使用者的手势将造成阻抗的偏移，降低天线传输的效率；以及天线的尺寸要如何在更小的体积下设计，亦即在维持RF天线性能下，不影响系统占位空间。

目前一线手机厂已计划扩大导入天线调节器，通过天线频率调整等新技术，降低天线数量、尺寸，并增强讯号接收效能与频宽。图3所示，灰点代表手势的位置越远离天线；黑点代表手势的位置越靠近天线，因此手机使用者的手势位置将改变天线的使用频率，进而影响阻抗的偏移，造成手机效率的下降与耗电量的增加。

图3 使用者手势对天线的影响

一般手机天线的尺寸设计在3cm³以下，且要提升天线的频宽，并维持输入阻抗在50欧姆是非常困难的。举例而言，典型手机天线的频宽范围为824M ~ 960MHz与1710M ~ 2170MHz，在此频宽范围内，其驻波比须达到3：1，该阻抗不匹配将造成1.25dB的能量损耗（图4）；但LTE手机的频率将延伸至700MHz，其驻波比势必增加至6：1以上，阻抗不匹配的能量损耗将大于4dB以上，因此要如何在规格尺寸下增加天线的频宽，是非常大的挑战。

图4 阻抗不匹配所造成的损耗

为解决上述问题，三星智能手机内部率先使用WiSpry的天线调节器，以减少阻抗不匹配损耗，提升天线传输效率，达到智能手机省电的效果。这不仅是WiSpry，也是RF MEMS的历史性时刻，因为这是商用消费产品中，首款RF MEMS。

紧接而来，EPCOS推出第一颗闭环回路（Close Loop）天线调节器，可动态且连续性自动调节天线的最佳匹配状态，使得天线特性大幅提升。RFMD也成功地将RF1102天线调节器集成至iPhone 5，改善LTE低频段的分集天线（Diversity Antenna）特性。此外，Paratek也发布一闭回路阻抗调节器，包含三颗BST(BaxSr1-xTiO3)可变电容元件、感测模组、控制晶片及演算法等，可随时调整手机发射特性至最佳化。Peregrine也发表一款整合型阻抗调节器，包含四颗可变电容元件、二颗固定电容元件及控制序列介面等，用来提升整体射频系统及频段之间的特性（表1）。

克服低频MIMO设计关卡　可调式天线隔离技术发威

在天线设计方面，MIMO多天线架构，利用多天线在相同时间、相同频段，传送多组具有正交编码之数据串流，以达到空间多工，可在不增加通讯资源下，提升系统有效资料传输率两倍或更多倍（图5），完全符合LTE宽频应用需求，故MIMO天线技术将为市场未来主流。

图5 MIMO多天线系统之资料传输率比较

也因此，若能将LTE多天线系统成功实现于移动通讯设备当中，将会给使用者带来更便捷快速的无线应用生活，预期具有广大的市场商机。

以LTE MIMO多频（低频700MHz、高频2.6GHz）天线设计为例，700MHz频率的波长为2.6GHz频率波长的三倍以上。除天线共振尺寸变大，且天线隔离距离变小外，天线操作波长的大幅增加也使得多天线之间，会有更强烈的天线互耦效应，且往往会遇到低频耦合较高频耦合严重问题（<10dB，如图6）。当天线之间隔离不佳，就会导致天线的效率降低。因此，如何在手机有限空间内置入高隔离度的低频MIMO天线系统，以满足LTE频宽需求，将是未来天线设计所必须面对的一个重大挑战。

图6 LTE MIMO天线耦合严重问题

一般MIMO天线相互耦合现象，主要是通过Surface Wave Coupling及Space Wave Coupling。

传统的解耦技术是采用多天线间的长距离摆置，达到降低天线耦合的效果，但由于使用面积过大，不适合应用于移动通讯设备上。目前台湾工研院已成功开发可调式天线隔离技术，并应用于LTE MIMO天线系统上，有效解决低频多天线彼此耦合的问题。该技术关键处在于：利用可变电容元件及分布式网路设计，以产生多模隔离模态，通过改变电容值大小来调整隔离中心频率，以增加低频隔离频宽（图7）。

图7 可调式天线解耦模组制作与实测结果

RF MEMS数字可变电容潜力无穷

RF MEMS可变电容元件架构可参考WiSpry的作法（图8），包括上盖、电容板及驱动电路。该元件做法为利用静电力吸引电容板，造成电容板间距的减少，而增加元件的电容值。

图8 RF MEMS可变电容元件的横切面

可变电容元件的形式可分为连续式、开关式及数字可变电容元件（图9）。连续式可变电容元件因动件可调距离只有三分之一电容板间距，因此最大电容比只能达到1.5：1，且电路信号控制较为困难，无法使用在需大电容比的可调模组。

图9 可变电容元件的形式

开关式可变电容元件是由多个阵列式独立电容元件所组成，借由整个元件的开关来决定电容值的大小，由于是以接点开关的方式调整电容值，其接点上会产生1~1.5欧姆的电阻，对于RF信号的损耗是非常严重的，造成可变电容元件Q值的降低，另外金属接点寿命短与仅能以并联形式来使用，都是开关式可变电容元件必须克服的问题。

数字可变电容元件是由多个阵列式独立电容元件所组成，其可变电容比可达10：1以上，且也无接点电阻与寿命的问题，因此数位式可变电容元件为目前较具潜力的方式。

可变电容三大考量因素

以下将说明可变电容重要的考量因素：电容比、品质因素（Quality Factor）及可靠性。

（1）电容比

数字可变电容元件系由多个阵列式独立电容元件所组成，当整个阵列元件在驱动的状态下，即为电容值最大的状态(Cmax)；当整个阵列元件在未驱动的状态下，即为电容值最小的状态(Cmin)，而电容比定义如公式1：

C_r= C_max/ C_min=g_Close/g_Open……公式1。

影响电容比的因素，除电容板之间的间距大小外，电容板接触面翘曲问题，也为影响电容比的关键因素之一。因动件上有两层不同的材料，彼此的热膨胀系数不同会产生热应力，造成动件的翘曲而降低电容比。因此如何适当的选取薄膜的厚度、宽度与材质，以避免热应力的影响是格外重要的。

（2）品质因数

RF MEMS可变电容元件的品质因数如公式2所示，其中ω为自振频率、C为电容、R为等效串联电阻，由公式2可知降低R值，就可提升Q值，而R值与RF传输线的宽度、长度、材料及封装特性有关。

（3）可靠性

可靠性是目前各家厂商都极力解决的问题，也是影响RF MEMS可变电容元件的成败关键，该元件的可靠度有以下几个重点：其一为介电层充电（Dielectric Charging），当电容元件之介电层充电问题越严重时，所需的驱动电压就愈高，最终将造成无法驱动；再者，材料疲劳（Material Fatigue），主因系非晶硅材料，如非晶硅（a-Si）、氧化物（Oxide）与氮化物（Nitride）等，经长时间重复使用而造成元件材料的损耗；以及黏附（Stiction），如由两个电容板形成的粘黏，以致无法松开。

利用高阻值半导体材料　工研院开发高性能可变电容

一般而言，可变电容元件依动件使用的材料，可分为绝缘材料与金属材料两种，绝缘材料的缺点为必须额外增加电极板，以产生静电力，且直流(DC)输入信号还必须透过转换层与Via结构层来传输，如此一来，将造成制程上的复杂，且增加元件制作上的成本；使用金属材料的缺点为：RF与DC讯号彼此无导通，必须使用供应偏置电源(Bias-tee)元件隔离RF与DC信号，因此将造成电路设计上的复杂与困难性，成本也相对提高。

目前工研院已开发可变电容元件（图10），动件采用高阻值半导体材料，做为电极板的参考接地电位，其优点为之一是毋须额外增加电极板，简化结构的设计与制程上的困难性，可降低成本与提升良率；再者，RF与DC信号彼此无导通，毋须增加Bias-tee信号隔离元件，以简化电路设计与降低成本。此外，采用高阻值半导体材料之动件，由结果得知，该元件具有高电容比（12：1），且品质因数大于80@2GHz。

图10 工研院可变电容元件

掌握可变电容关键技术　台湾RF MEMS供应链渐具雏形

LTE MIMO天线技术是未来的趋势，预计2~3年内产品会实现。然而，要在有限空间内配置二至四组天线，且彼此之间不互相干扰，是近几年天线系统设计工程师极力突破的挑战。

目前台湾工研院率先开发可调式天线隔离技术，并成功应用于LTE MIMO天线系统上，有效解决低频多天线彼此耦合的问题。其中，RF MEMS关键零组件可变电容，仍然掌握在国外少数厂商（WiSpry及Cavendish等），导致天线整合设计无法满足客制化、微小化，因而丧失国际的竞争力。

有鉴于此，台湾工研院在RF MEMS元件技术深耕多年，可提供天线厂商元件设计、制程、封装与测试的全方位解决方案，并可结合现有天线可调解耦及天线调节技术，开发高品质因素可变电容元件，协助厂商提升技术及国际竞争力。