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。