运用可调谐射频元件优化LTE天线性能与尺寸

2017-07-01 by:CAE仿真在线来源:互联网

移动设备的设计趋势朝着轻薄短小发展,加上应用频段的增加,导致LTE天线可占用的空间逐渐缩小,性能要求却更上层楼;而可调谐射频元件能运用体积更小但网络性能更大的天线提升LTE性能,换句话说,只要将可调谐射频元件附加于天线上,工程师就能设计出更小尺寸且更高性能的天线。

当前长期演进计划(LTE)的发展势头迅猛,运营商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。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,而现在要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回报率。

可调谐射频元件日趋重要 RF-MEMS设计居要位

考虑到天线在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尤为关键,而动态可调谐射频(Dynamic Tunable RF)元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。

可调谐射频元件系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,只有动态可调谐射频微机电系统(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元件系采用数字电容数组,并利用RF-MEMS技术将电子电路整合于单一硅晶粒(Die)上,以同时兼顾性能及尺寸要求。

RF-MEMS技术架构如图1所示,各部元件包括上盖(Lip)、倒装芯片垫(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元件的横切面

损耗低/空间小 RF-MEMS技术优势多

RF-MEMS电容器属于机械元件,置于硅晶圆(Silicon Wafer)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元件上的电流则只在金属中流动,故损耗极低,且能进行超线性运作。

由于RF-MEMS电容器整合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晶粒上,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晶粒上,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,所有元件的驱动程序都可内建,而所有电容设定皆可通过缓存器(Register)来选择,不论缓存器是通过业界标准的串行周边接口(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)串行接口写成。

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元件闭合,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元件并无法直接对GHz范围的信号变化产生反应。

RF-MEMS电容器掌传输电容值/质量因素须关注

在可变电容数组时,数组中各独立电容的“开/关”比例,以及整个数组的开/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:

‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式1

而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Cseries代表数字电容器,可在Cmin和Cmax之间调节。当芯片上的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,若该元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则与并联数字电容器并联,因而增加Cmin值,此时,Cratio则通常为7。

至于RF-MEMS电容器的质量因子(Quality Factor)部分,其金属结杆显著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”(质量因子)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」。

‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式2

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。

确保晶粒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元件的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元件上的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。

监控元件性能参数指数/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)及晶粒面积成本等。

‥公式3

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

另一个可调谐RF-MEMS元件的关键问题为可靠度,除了所有半导体元件都须具备的可靠度条件外,这种接触型MEMS元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),主要系因长时间重复使用而造成元件特性改变。

首先,黏附通常是随机发生的,可通过MEMS元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。

至于磨损则是元件失效的常见因素,可通过妥善设计机械MEMS结杆与接触区的方式来控制。完整的产品级数组包含几十个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通过SPI或RFFE接口进行的状态更改。

功率/电压息息相关慎防自行驱动为关键

由于MEMS元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,射频信号也是随时间变化形成电压,此电压以射频频率震荡,通常远高于MEMS元件的自我共振频率;因此,射频电压不会“直接”调变MEMS元件。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是射频信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,若射频信号的RMS电压太高,就会造成MEMS元件“自行驱动”,因而造成即使程序要求转为低电容,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。

‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式4

此外,RMS电压则可用公式5算出:

‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式5

以50欧姆的系统来说,Vrms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序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,这就是所谓宽带分码多重接取(WCDMA)的“压缩模式”,或非连续发射(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

许多商业通信系统可因高性能的可调谐射频元件而获益,如手机和可携式平板计算机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,常让天线设计人员束手束脚,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,以优化天线的各个频段,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,且只要使用专用宽带电路配置即能跨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)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回路(Closed-loop)调谐应用、功率传感器与反馈控制器等。这样一来,传感器也必须能侦测功率低于热调谐水平的情况,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电容器元件,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,形成另一种折衷辐射效率和符合多频段的方法。

其次,可调谐射频元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响应,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字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元件也可加以调节,并进一步优化,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。基于效率考虑,大部分的商用功率放大器都运用传统的梯形网络来配合输出,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元件。

可调谐射频助拳 LTE系统再进化

上述各项可调谐射频元件的优势,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,达成减少客户流失的目标。

此外,手机制造商除能实现多dBs的性能增益,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。

而用户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。

作者:Art Morris,技术总监,WiSpry公司

以下是wiSpry关于可调谐RF趋势的视频演讲:
http://www.mwrf.net/video/seminar/2013/2.html

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