廠商/作者 : Silicon Laboratories ,	友善列印
日期 : 2011/10/21 益登連絡人 : sales@edom.com.tw

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。更麻煩的是，若要實現全球LTE，就必須運用比3G更多的頻段，手持設備的基本需求需具備7波段，而欲達成真正的全球漫遊，則需13波段以上。另外，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，期待LTE能提供其承諾的投資報酬率。

可調諧RF能運用體積更小但網路效能更大的天線來提升LTE效能。也就是將可調諧RF元件附加於天線本身，這樣工程師們就能設計出體積更小但效能更高的天線。透過這種方式，可調諧RF便成功解決了業界人士所熟知的既有空間限制。

另外，利用單一天線來接收更多頻率範圍的調諧功能，更自然減少了手機實際運作時所需的整體天線數量。依據MIMO（Multiple Input Multiple Output，多重輸入輸出技術）的趨勢來看，這點真的意義重大，因為在該技術中，有多達4支功能各自不同的天線存在。可調諧RF以最高效率進行發送與接收，而且較不受其它干擾源（如頭和手的位置）的影響。

剖析高效能可調諧 RF 元件
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（RF-MEMS）技術能真正有效達成目的。

領先業界的可調諧RF元件，是採用數位電容陣列，利用了RF-MEMS技術將電子電路整合於單一矽晶粒（die）上。

RF-MEMS電容器屬於機械元件，置於矽晶圓（silicon wafer）表面，它包含兩片金屬板，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絕緣層，如此即構成了電容器。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CMOS晶圓上，因此所有控制MEMS的元件也都存在於同一個晶粒上。這不僅節省了路由空間，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高電壓（大約 35V DC）。既然RF-MEMS電容器位在同一個CMOS晶粒上，那麼所需電壓就由晶片上的整合電荷泵來產生，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SPI寫成，還是以MIPI RFFE序列介面寫成。

RF-MEMS元件之機械結構所產生的機械共振頻率較低－約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，且會轉移為數兆赫之頻率。這種低機械共振頻率，造就了其優秀線性度，因為MEMS元件是無法直接對千兆赫範圍之訊號變化產生反應的。

電容率
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，都非常重要。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「C_min」。同樣地，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「C_max」。而電容率（C_ratio）的定義就如公式 (1) 所示。

 公式(1)

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 C_series代表數位電容器，可在C_min和C_max之間調節。


圖 2 MEMS電容器模型

當晶片上的MEMS元件設計影響了這些寄生電容值，C1和C2就不相等。

若該元件被設定為串聯狀態，那麼 C_ratio 通常就是15。請注意，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C_max的5-15%。

但若該元件被設定為並連狀態，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，因而增加了C_min值。此時，C_ratio 通常就為7。

品質因數（Q 值）
至於RF-MEMS電容器的品質因素（Quality Factor）部分，其金屬結桿（beam）顯著的低電阻則提供了關鍵優勢：低耗損。這樣的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）（X_c）和實際阻抗（R_c）的比值，如公式 (2) 所示，而其中ESR則是指電容器的「等效串聯電阻」。

公式(2)

降低特定C（電容器）的ESR，自然就能提高Q值。而RF-MEMS結桿（beam）上的金屬走線便提供極低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。相較之下，同頻率的典型CMOS電子元件之Q值，則通常不到30。

線性度
手機 RF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。兩個相近的頻調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，那麼就會測得較高的非線性度。正如前述，機械共振會發生在 50-100kHz 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。

參數指數（FOM）
為了監控及比對最先進的可調諧電容器，故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，檢測其損耗範圍、電容率、功率承載力（power handling）及成本（晶粒面積）等。

公式(3)

           


其中：
C_R 為電容率：
V² 是電容器兩端最大電壓的RMS（Root-Mean-Square，均方根值）
Die Area 是指定電容所需之晶粒面積
R_on 是接通狀態下的總串聯電阻

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元件還有額外的二類可靠度問題須關注：
• 黏附（Stiction），由兩個電容極板形成的聯結，無法鬆開
• 磨損（Wear-out），因長時間重複使用而造成元件特性改變

黏附通常都是隨機發生的，且可透過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，以及（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，是元件失效的常見因素，且可透過妥善設計機械MEMS結桿（beam）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 x 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。

電壓限制

自行驅動

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C_min切換C_max的原理。

RF訊號也是隨時間變化形成電壓。此電壓以RF頻率震盪，通常遠高於MEMS元件的自我共振頻率。因此，RF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。這種有效的直流電壓，就稱為RMS（Root-Mean-Square均方根）電壓（見圖3）。RF訊號的RMS電壓若太高，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。

功率與電壓的關係就如公式 (4) 所示，其中Z為系統的特性阻抗（通常為50Ω），而V_peak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 訊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的系統來說，Vrms 就是

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。

熱調諧
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。一旦靜電力消失，結桿（beam）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。RF-MEMS電容器的釋放電壓遠低於驅動電壓，大約只有8V。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RF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。這會限制電容器切換至低電容狀態時可提供的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WCDMA的「壓縮模式」，或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，所以一般不會需要超出全功率範圍的熱調諧功能。

應用

饋電點調諧器
許多商業通訊系統可因高效能的可調諧RF元件而獲益。手機和可攜式平板電腦二種平台的操作經驗也深受天線功能的制約。尺寸上的限制，讓天線設計人員綁手綁腳，以至於很難在50Ω的元件設計出足以匹配各頻段運作的天線。目前各手機平台都不斷增加頻段，這使得問題更加惡化。於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，而不只侷限於50Ω。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。目前的WiSpry調諧器產品的調節能力超過19:1 VSWR，且只要使用專用寬頻電路配置即能跨824至2170MHz頻段。

目前，WiSpry調諧器產品採取開放迴路（open-loop）控制。在這種配置狀態下，是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，但非絕對）來進行控制。至於下一代的調諧器產品，將於內部環路中加入閉鎖迴路（closed-loop）調諧應用、功率傳感器與反饋控制器等。這樣一來，傳感器也必須能偵測功率低於熱調諧水準的情況，並及時更改設定。

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。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元件也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RF濾波器功能。

可調式功率放大器
RF-MEMS元件也可調節功率放大器（PA），它可以最佳化PA並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。基於效率考量，大部分的商用PA都運用傳統的梯形網路來配合輸出，而儘管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。

總結
上述各項優勢，為手機產業各環節帶來了許多好處。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。手機製造商能實現多 dBs的效能增益，並降低物料清單成本（BOM）、複雜度，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。而使用者則能減低電話漏接機率，並能使電池壽命延長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。擁有這些優勢的可調諧RF，想必能成為LTE的中流砥柱。

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                                       <本文轉載自新電子>