运用可调谐射频元件 优化LTE天线性能与尺寸

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

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。