當 LTE(Long Term Evolution，長期演進技術)的部署氣勢重新抬頭，企業(yè)經營者與手機制造商都該明白，4G網絡并非3G性能萎靡不振時的萬靈丹。事實上，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)強化處理，以避免因網絡流量過大、數據使用量增加，還有外形尺寸限制等因素而造成的擁塞。

一般來說，高數據傳輸率中使用的調變方案較為復雜，對信號處理的要求也格外嚴格。更麻煩的是，若要實現全球LTE，就必須使用比3G更多的頻段，便攜設備的基本需求需具備7波段，而要達到真正的全球漫游，則需13波段以上。另外，更重要的是，天線的性能限制嚴重威脅到速度，這使得多功能服務供應商無不翹首盼望，期待LTE能提供其承諾的投資回報率。

可調諧RF采用體積更小但網絡性能更好的天線來提升LTE性能，也就是將可調諧RF器件附加到天線本身，這樣工程師就能設計出體積更小但性能更高的天線。通過這種方式，可調諧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諧功能，自然減少了手機實際運行時所需的整體天線數量。依據MIMO(Multiple Input Multiple Output，多重輸入多重輸出技術)的趨勢來看，這點意義重大，因為在該技術中，有多達4根功能各自不同的天線存在。可調諧RF以最高效率進行發(fā)送與接收，而且不受其他干擾源(如頭和手的位置)的影響。

解析高性能可調諧 RF 器件

在少數已進入市場的天線問題補償方案中，只有動態(tài)可調諧射頻微機電系統(tǒng)(RF-MEMS)技術能真正有效達到目的。

業(yè)界領先的可調諧RF器件，是采用數字電容數組，利用了RF-MEMS技術將電子電路集成于單一硅晶粒(die)上。

RF-MEMS電容器屬于機械器件，置于硅晶圓(silicon wafer)表面，他包含兩片金屬板，且會因外加電壓產生的靜電而靠在一起。這兩個金屬板之間還設有一個絕緣層，這樣就構成了電容器。相對于一般以電流通過半導體基板的實體開關，在RF-MEMS器件上的電流只在金屬中流動，損耗極低，且能進行超線性運作。

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晶粒上，不僅節(jié)省了路由空間，還將往來于控制線的信號耦合降至最低，這點很關鍵，因為器件啟動時往往需要高電壓(大約 35V DC)。既然RF-MEMS電容器位在同一個CMOS晶粒上，那么所需電壓就由芯片上的集成電荷泵來產生，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，所有器件的驅動程序都可內置，而所有電容設定都可通過寄存器來選擇，不論寄存器是通過業(yè)界標準的SPI或MIPI RFFE串行接口。

圖 1 RF-MEMS器件的橫截面

RF-MEMS器件機械結構所產生的機械共振頻率較低-約60kHz。這是因為整段梁(beam)會以驅動信號的半波長共振，所以當MEMS器件閉合，共振就不那么明顯，且會轉移為數兆赫頻率。這種低機械共振頻率，造就了其優(yōu)秀線性度，因為MEMS器件是無法直接對千兆赫范圍之信號變化產生反應的。

電容率

在可變電容數組中，數組中各獨立電容的“開/關”比例，以及整個數組的“開/關”比例，都非常重要。當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，當電容器被驅動，且位于“閉合”位置，電容器就會處于最大電容狀態(tài)，即“Cmax”。而電容率(Cratio)的定義如公式 (1) 所示。

公式(1)

數組中的每個電容都有類似圖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代表數字電容器，可在Cmin和Cmax之間調節(jié)。

圖 2 MEMS電容器模型

當芯片上的MEMS器件設計影響了這些寄生電容值，C1和C2就不相等。

若該器件被設定為串聯(lián)狀態(tài)，那么 Cratio 通常就是15。請注意，還會有些接地的并聯(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%。

但若該器件被設定為并連狀態(tài)，例如Port B接地，其中一個寄生電容C1則與并聯(lián)數字電容器并聯(lián)，因而增加了Cmin值。此時，Cratio 通常就為7。

質量因子(Q 值)

至于RF-MEMS電容器的質量因子(Quality Factor)部分，顯著降低金屬梁(beam)電阻則提供了關鍵優(yōu)勢：低耗損。這樣的低耗損在一般規(guī)格中以“Q值”(質量因子)來表示。Q值其實就是電阻抗(reactive impedance)(Xc)和實際阻抗(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，且比起其他技術要低很多。在1GHz測量晶圓上所測得的RF-MEMS技術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 RF前端器件的線性度，通常都是指雙頻的輸入三階截點(Input Third-Order Intercept Point，IIP3)。RF-MEMS器件一般都是極具線性的，但卻對雙頻的間距有點敏感。兩個相近的頻調組合創(chuàng)造出電壓包絡，而其峰值為各頻調之電壓總和加上兩個頻調差之間的低拍頻變化。若該拍頻低于或接近RF-MEMS器件的機械共振頻率，就會測得較高的非線性度。正如前述，機械共振會發(fā)生在 50-100kHz 區(qū)間。故當頻調間距在此范圍內，MEMS器件的IIP3就約為+70dBm;若頻調間距更寬，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，就可能產生調變。而此調變現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。

參數指數(FOM)

為了監(jiān)控及對比最先進的可調諧電容器，這里使用了一般的參數指數(Figure of Merit，FOM)。此 FOM能快速評估所有可調諧電容器技術，檢測其損耗范圍、電容率、功率承載力(power handling)及成本(晶粒面積)等。

公式(3)

V2 是電容器兩端最大電壓的RMS(Root-Mean-Square，均方根值)

Die Area 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注：

• 粘附(Stiction)，由兩個電容極板形成的聯(lián)結，無法松開

• 磨損(Wear-out)，因長時間重復使用而造成器件特性改變

粘附通常都是隨機發(fā)生的，且可通過MEMS器件的設計方式來控制，以避免介質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過仔細設計，可避免驅動器相互接觸，而唯一會產生接觸現象的區(qū)域，就只有電容器部分。因此已可確定不會發(fā)生粘附問題。

至于磨損，是器件失效的常見因素，且可通過妥善設計機械MEMS梁(beam)與接觸區(qū)的方式來控制。完整的產品級數組包含幾十個RF-MEMS電容器件，能持續(xù)運作超過150 x 106個周期，而一個周期是指每一次客戶通過SPI或RFFE接口進行的狀態(tài)更改。

電壓限制

自行驅動

MEMS器件是由集成電荷泵所產生的高階直流電壓所驅動。當此電壓通過與電容極板相接的驅動器接頭時，極板便會因靜電力而被拉在一起。這就是電容從Cmin切換Cmax的原理。

RF信號也是隨時間變化形成電壓。此電壓以RF頻率震蕩，通常遠高于MEMS器件的自我共振頻率。因此，RF電壓不會“直接”調變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動。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信號的 RMS電壓若太高，就會造成MEMS器件“自行驅動”，因而造成即使程序要求轉為低電容，器件卻仍處于高電容狀態(tài)的問題。要在手機前端達到如此高的電壓，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電壓通過驅動器終端時，就必須指定一個電容。

功率與電壓的關系就如公式 (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 3 Vrms 是 RF 信號所產生之直流電壓

(若要運用此圖，你還需有0電位的基準，以及Vpeak 值)

公式(5)

以50Ω的系統(tǒng)來說，Vrms 就是

自行驅動并不會造成器件毀損。因此，根據電路配置和規(guī)格偏差容許度不同，在電壓“絕對最大”的狀況下，仍有可能再次產生上述的自我驅動現象。

熱調諧

RF-MEMS器件會因高電壓驅動器產生的靜電力而閉合，且會隨著驅動電壓的移除而打開。一旦靜電力消失，梁(beam)的彈力就會將RF-MEMS器件恢復為打開狀態(tài)?；诟鞣N原因，這種彈力通常會比靜電力小。

恢復彈力較低就表示器件一旦閉合后，將只在驅動電壓降至“釋放電壓”以下時才會重新打開。RF-MEMS電容器的釋放電壓遠低于驅動電壓，大約只有8V。在一般運作情況下并不構成問題，因為集成電容器驅動程序會徹底移除驅動電壓以打開電容器。

若RF信號中的RMS電壓通過某個MEMS電容，且該電壓超過釋放電壓，就會造成已驅動的MEMS器件無法打開。這會限制電容器切換至低電容狀態(tài)時可提供的RF功率。此時的功率等級，又會再次因電路配置和負載阻抗(load impedance)而產生不同程度的問題(VSWR，電壓駐波比)，因此除非已知電路配置，否則熱調諧范圍就必須依據RMS釋放電壓來設定。

在一般的通信系統(tǒng)中，調諧器通常會在數據傳送流的暫停期間被重新設定。這就是所謂WCDMA的“壓縮模式”，或DTX的一般通信狀態(tài)。另外，許多需要熱調諧的系統(tǒng)都以較低的RMS電壓運作，所以一般不需要超出全功率范圍的熱調諧功能。

應用

饋電點調諧器

許多商業(yè)通信系統(tǒng)可因高性能的可調諧RF器件而獲益。手機和便攜式平板計算機兩種平臺的操作經驗也深受天線功能的制約。尺寸上的限制，讓天線設計人員很難在50Ω的器件設計出足以匹配各頻段運作的天線。目前各手機平臺都不斷增加頻段，這使得問題更加惡化。于是天線設計人員被迫犧牲天線的輻射效率(radiation efficiency)以便匹配各頻段運作能力。

可調諧RF器件可應用于建立饋電點調諧器，以優(yōu)化天線的各個頻段，達到最大輻射效率，而不只局限于50Ω。此調諧器將能針對各波段操作進行調整，使收發(fā)器符合天線負載。目前的WiSpry調諧器產品的調節(jié)能力超過19:1 VSWR，且只要使用專用寬帶電路配置即能跨824至2170MHz頻段。

目前，WiSpry調諧器產品采取開環(huán)(open-loop)控制。在這種配置狀態(tài)下，是采用業(yè)界標準數字總線格式的手機芯片組中的一個處理器(通常是基頻處理器，但非絕對)來進行控制。至于下一代的調諧器產品，將于內部環(huán)路中加入閉環(huán)(closed-loop)調諧應用、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諧水平的情況，并及時更改配置。

天線負載調諧器

天線負載調諧器能利用可調諧RF-MEMS電容器器件，通過直接將可變負載加進天線結構的方式，直接更改天線共振，讓天線能靠著調諧設定來反應不同變化。而這是另一種折衷輻射效率和符合多頻段的方法。

可調諧濾波器

可調諧 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。這些響應都可用于RF-MEMS電容器調節(jié)，且能提供控制效果良好的數字可調諧RF濾波器功能。

可調式功率放大器

RF-MEMS器件也可調節(jié)功率放大器(PA)，他可以優(yōu)化PA并使之適應各種不同運作模式(線性與非線性)、功率等級和頻率?；谛士紤]，大部分的商用PA都運用傳統(tǒng)的梯形網絡來配合輸出，而盡管電感應只能通過傳統(tǒng)、不可調節(jié)的方式達成，RF-MEMS電容器卻能提供可調節(jié)的電容器件。

總結

上述各項優(yōu)勢，為手機產業(yè)各環(huán)節(jié)帶來了許多好處。運營商能以較低的基礎設備成本來增加網絡帶寬、增進可用性與區(qū)域平臺的程序可編程性，更有機會通過更高質量的服務及提升客戶滿意度的方式，達到減少客戶流失的目標。手機制造商能實現多 dBs的性能增益，并降低物料清單成本(BOM)、復雜度，還能做出更小巧輕薄的外觀、降低庫存量(SKU)，并讓產品快速上市。而用戶則能減低電話漏接幾率，使電池壽命延長35%以上，且可以用更低的價格買到更多功能的手機，還可隨時隨地立即通話。擁有這些優(yōu)勢的可調諧RF，想必能成為LTE的中流砥柱。