當長程演進計畫(LTE)的部署氣勢抬頭,企業經營者與手機製造商都深知4G網路並非3G效能萎靡不振時的萬靈丹。事實上,完整的LTE解決方案包括提升速度、可靠度及一系列持續強化處理,以避免因網路流量過大、資料使用量增加,還有外形尺寸限制等因素而造成的壅塞。
一般來說,高資料傳輸率中使用的調變方案較為複雜,對訊號處理的要求也格外嚴格。麻煩的是,若要實現全球性的LTE,就必須運用比3G更多的頻段,以往手持設備的基本需求為須具備七個頻段,而現在欲達成真正的全球漫遊則需十三個頻段以上。更重要的是,天線的效能限制嚴重威脅到速度,這使得多功能服務業者無不引頸盼望LTE能提供其承諾的投資報酬率。
可調諧射頻元件抬頭 RF-MEMS設計居要角
有鑑於天線在LTE中的重要性日增,如何協助工程師設計出體積更小但效能更高的天線至為關鍵,而動態可調諧射頻(Dynamic Tunable RF)元件能運用體積更小但網路效能更大的天線來提升LTE效能,透過此技術,便能解決業界人士所熟知的既有空間限制。
可調諧射頻元件係利用單一天線來接收更多頻率範圍,可進一步減少手機實際運作時,所需搭載的整體天線數量,對多重輸入輸出(MIMO)技術趨勢而言,意義重大,因為在該技術中,有多達四支各具不同功能的天線存在;而可調諧射頻透過最高效率進行發送與接收,較不受其他干擾源(如頭和手的位置)的影響。
值得一提的是,在少數已進入市場的天線問題補償方案中,只有動態可調諧射頻微機電系統(MEMS)技術能有效達成目的。而目前技術較為領先的可調諧射頻元件係採用數位電容陣列,並利用RF-MEMS技術將電子電路整合於單一矽晶粒(Die)上,以同時兼顧效能及尺寸要求。
RF-MEMS技術架構如圖1所示,各部組件包括上蓋(Lip)、覆晶接合墊(Flop Chip Pad)、調諧電容器(Tunable Capacitor)、矽基板(Silicon Substrate)和固定的被動與連接元件(Fixed Passives & Interconnect)。
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圖1 RF-MEMS元件的橫切面 |
損耗低/空間小 RF-MEMS技術優勢多
RF-MEMS電容器屬於機械元件,置於矽晶圓(Silicon Wafer)表面,其包含兩片金屬板,且會因外加電壓產生的靜電而靠在一起;此外,兩個金屬板之間還設有一絕緣層,如此即構成電容器。相對於一般以電流通過半導體基板的實體開關,在RF-MEMS元件上的電流則只在金屬中流動,故損耗極低,且能進行超線性運作。
由於RF-MEMS電容器整合於單一互補式金屬氧化物半導體(CMOS)晶圓上,故所有控制MEMS的元件都存在於同一個晶粒上,這不僅節省路由空間,還將往來於控制線的訊號耦合降至最低,這點特別重要,因為元件啟動時往往需要約35伏特直流電(VDC)的高電壓。
既然RF-MEMS電容器位在同一個CMOS晶粒上,其所需電壓就可由晶片上的整合電荷泵來產生,如此一來,唯一需要的外部電源電壓只需2.7~3.3伏特即足夠。此外,所有元件的驅動程式都可內建,而所有電容設定皆可透過暫存器(Register)來選擇,不論暫存器是透過業界標準的串列周邊介面(SPI)寫成,還是以行動產業處理器介面(MIPI)聯盟的射頻前端控制(RFFE)序列介面寫成。
另外,RF-MEMS元件的機械結構所產生的機械共振頻率較低,約為60kHz。這是因為整段結桿(Beam)會以驅動訊號的半波長共振,故當MEMS元件閉合,共振就不那麼明顯,且會轉移為MHz的頻率。這種低機械共振頻率,造就其優秀線性度,因為MEMS元件並無法直接對GHz範圍的訊號變化產生反應。
RF-MEMS電容器掌傳輸 電容值/品質因數須關注
在可變電容陣列時,陣列中各獨立電容的「開/關」比例,以及整個陣列的開/關比例非常重要。當MEMS元件被「抬起」或未被接觸,電容器就處於最小電容狀態,亦即「Cmin」。同樣的,當電容器被驅動,且位於「閉合」位置,電容器就會處於最大電容狀態,亦即「Cmax」。而電容率(Cratio)定義如公式1所示:
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‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式1
而陣列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代表接地的並聯式寄生電容,通常就是接到裝配環境與矽基板。而Cseries代表數位電容器,可在Cmin和Cmax之間調節。當晶片上的MEMS元件設計影響這些寄生電容值,C1和C2就不相等。
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圖2 MEMS電容器模型 |
值得注意的是,若該元件被設定為串聯狀態,那麼Cratio通常為15。請留意,還會有些接地的並聯式寄生電容存在,而其值將取決於電容器尺寸,通常為Cmax的5~15%。另外,若該元件被設定為並聯狀態,例如Port B接地,其中一個寄生電容C1則與並聯數位電容器並聯,因而增加Cmin值,此時,Cratio則通常為7。
至於RF-MEMS電容器的品質因數(Quality Factor)部分,其金屬結桿顯著的低電阻則提供關鍵的低耗損優勢。低耗損在一般規格中以「Q值」(品質因數)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,其中ESR則是指電容器的「等效串聯電阻」。
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‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式2
因此,若降低特定電容器(C)的ESR,自然就能提高Q值,而RF-MEMS結桿上的金屬走線便提供極低ESR,且比其他技術要低很多。舉例來說,在1GHz測量晶圓上所測得的RF-MEMS技術Q值,通常超過200,相較之下,同頻率的典型CMOS電子元件的Q值,則通常不到30。
確保晶粒正確接地維持線性度
手機射頻前端元件的線性度,通常都是指雙頻的輸入三階交調載取點(Input Third-Order Intercept Point, IIP3)。RF-MEMS元件一般都是極具線性的,但卻對雙頻的間距有點敏感。例如兩個相近的頻段組合創造出電壓包絡,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(Beat Frequency)變化,若該拍頻低於或接近RF-MEMS元件的機械共振頻率,就會測得較高的非線性度。
正如前述,機械共振會發生在50k~100kHz區間,故當頻調間距在此範圍內,MEMS元件的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元件上的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。
監控元件效能 參數指數/可靠度角色吃重
為監控及比對最先進的可調諧電容器,須使用一般的參數指數(Figure of Merit, FOM),表示方式如公式3,其能快速評估所有可調諧電容器技術,檢測其損耗範圍、電容率、功率承載力(Power Handling)及晶粒面積成本等。
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‥公式3
其中CR為電容率:Con/Coff;V2是電容器兩端最大電壓的均方根值(Root-Mean-Square, RMS);Die Area是指定電容所需的晶粒面積;Ron是接通狀態下的總串聯電阻。
另一個可調諧RF-MEMS元件的關鍵問題為可靠度,除了所有半導體元件都須具備的可靠度條件外,這種接觸型MEMS元件還有額外的二個可靠度問題須關注,包括黏附(Stiction),例如由兩個電容極板形成的聯結,無法鬆開;以及磨損(Wear-out),主要係因長時間重複使用而造成元件特性改變。
首先,黏附通常是隨機發生的,可透過MEMS元件的設計方式來控制,以避免介質表面的金屬與金屬部分,或高電場部分有密切接觸。目前市面上的最佳元件皆經過仔細設計,可避免驅動器相互接觸,而唯一會產生接觸現象的區域,就只有電容器部分,因此已可確定不會發生黏附問題。
至於磨損則是元件失效的常見因素,可透過妥善設計機械MEMS結桿與接觸區的方式來控制。完整的產品級陣列包含幾十個RF-MEMS電容元件,能持續運作超過150×106個週期,而一個週期是指每一次客戶透過SPI或RFFE介面進行的狀態更改。
功率/電壓息息相關 慎防自行驅動為關鍵
由於MEMS元件是由整合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。
此外,射頻訊號也是隨時間變化形成電壓,此電壓以射頻頻率震盪,通常遠高於MEMS元件的自我共振頻率;因此,射頻電壓不會「直接」調變MEMS元件。然而,元件是靠包含直流電與二次諧波的電壓平方所驅動,這種有效直流電壓,稱為RMS電壓(圖3)。
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圖3 Vrms是射頻訊號所產生的直流電壓;若要運用此圖,須有0電位的基準及Vpeak值。 |
必須注意的是,若射頻訊號的RMS電壓太高,就會造成MEMS元件「自行驅動」,因而造成即使程式要求轉為低電容,元件卻仍處於高電容狀態的問題。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調的狀況下,便可能發生高阻抗共振情形。因此,在射頻的最大RMS電壓通過驅動器終端時,就必須指定一個電容。
功率與電壓的關係就如公式4所示,其中Z為系統的特性阻抗(通常為50歐姆),而Vpeak是RF電壓的峰值,如圖3所示。
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‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式4
此外,RMS電壓則可用公式5算出:
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‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式5
以50歐姆的系統來說,Vrms就是
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,自行驅動並不會造成元件毀損。因此,根據電路配置和規格偏差容許度不同,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。
協助電容器開/關 熱調諧依RMS電壓而定
由於RF-MEMS元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,因此,一旦靜電力消失,結桿的彈力就會將RF-MEMS元件恢復為打開狀態。基於各種理由,這種彈力通常會比靜電力小。
恢復彈力較低就表示元件一旦閉合後,將只在驅動電壓降至「釋放電壓」以下時才會重新打開,而RF-MEMS電容器的釋放電壓遠低於驅動電壓,大約只有8伏特。在一般運作情況下並不構成問題,因為整合電容器驅動程式會徹底移除驅動電壓以打開電容器。
若射頻訊號中的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元件無法打開,同時也會限制電容器切換至低電容狀態時可提供的射頻功率。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如電壓駐波比(VSWR),故除非已知電路配置,否則熱調諧範圍就必須依據RMS釋放電壓來設定。
在一般的通訊系統中,調諧器通常會在資料傳送流的暫停期間被重新設定,這就是所謂寬頻分碼多重接取(WCDMA)的「壓縮模式」,或非連續發射(DTX)的一般通訊狀態。另外,許多需要熱調諧的系統都以較低的RMS電壓運作,所以一般並不需要超出全功率範圍的熱調諧功能。
可調諧射頻應用廣 導入行動裝置商機可期
許多商業通訊系統可因高效能的可調諧射頻元件而獲益,如手機和可攜式平板電腦二種平台的操作經驗深受天線功能的制約。其中,尺寸上的限制,常讓天線設計人員綁手綁腳,以至於很難在50歐姆的元件限制中,設計出足以匹配各頻段運作的天線,尤其是目前各種手機不斷增加頻段,將使得問題更加惡化,迫使天線設計人員犧牲天線的輻射效率(Radiation Efficiency),以便匹配各頻段運作能力。
為解決上述問題,可調諧射頻元件可應用於建立饋電點調諧器,以最佳化天線的各個頻段,達成最大輻射效率,而不只局限於50歐姆。此調諧器將能針對各波段操作進行調整,以讓收發器符合天線負載。舉例來說,專注於供應可調諧射頻半導體產品的WiSpry,旗下的調諧器產品調節能力均超過19:1 VSWR,且只要使用專用寬頻電路配置即能跨824M~2,170MHz頻段。
不僅如此,WiSpry調諧器採取開放迴路(Open-loop)控制,在這種配置狀態下,WiSpry採用業界標準數位匯流排格式的手機晶片組中的一個處理器(通常是基頻處理器)來進行控制。至於下一代的調諧器,將於內部環路中加入閉鎖迴路(Closed-loop)調諧應用、功率感測器與反饋控制器等。這樣一來,感測器也必須能偵測功率低於熱調諧水準的情況,並及時更改設定。
RF-MEMS具高度電容器調節能力
除了饋電點調諧器的應用,可調諧射頻元件還能搭載於天線負載調諧器、可調諧濾波器,以及可調式功率放大器(PA)。首先,天線負載調諧器能利用可調諧RF-MEMS電容器元件,透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,形成另一種折衷輻射效率和符合多頻段的方法。
其次,可調諧射頻元件則可用於共振電路配置,並在特定頻率提供一帶拒或帶通回應,這些回應都可用於RF-MEMS電容器調節,且能提供控制效果良好的數位可調諧射頻濾波器功能。
最後,針對可調式功率放大器的應用,RF-MEMS元件也可加以調節,並進一步最佳化,使其適應各種不同運作模式(線性與非線性)、功率等級和頻率。基於效率考量,大部分的商用功率放大器都運用傳統的梯形網路來配合輸出,相較於電感應只能透過傳統、不可調節的方式達成,RF-MEMS電容器卻能提供可調節的電容元件。
可調諧射頻助拳 LTE系統再進化
上述各項可調諧射頻元件的優勢,為手機產業各環節帶來許多好處,經營者能以較低的基礎設備成本來增加網路頻寬、增進可用性與區域平台的程式可編程性,更有機會透過更高品質的服務及提升客戶滿意度的方式,達成減少客戶流失的目標。
此外,手機製造商除能實現多dBs的效能增益,並降低物料清單(BOM)成本及複雜度之外,還能做出更小巧輕薄的外觀、降低庫存量(SKU),並讓產品快速上市。
而使用者方面則能減低電話漏接機率,並能使電池壽命延長35%以上,且可用更低的價格買到更多功能的手機,還能隨時隨地立即通話。擁有這些優勢的可調諧射頻技術,未來可望成為LTE的中流砥柱。