如何使用可調(diào)諧射頻元件優(yōu)化LTE天線的性能與尺寸

　　移動設(shè)備的設(shè)計趨勢朝著輕薄短小發(fā)展，加上應(yīng)用頻段的增加，導(dǎo)致LTE天線可占用的空間逐漸縮小，性能要求卻更上層樓；而可調(diào)諧射頻元件能運(yùn)用體積更小但網(wǎng)絡(luò)性能更大的天線提升LTE性能，換句話說，只要將可調(diào)諧射頻元件附加于天線上，工程師就能設(shè)計出更小尺寸且更高性能的天線。當(dāng)前長期演進(jìn)計劃（LTE）的發(fā)展勢頭迅猛，運(yùn)營商與手機(jī)制造商都深知4G網(wǎng)絡(luò)并非3G性能萎靡不振時的萬靈丹。事實(shí)上，完整的LTE解決方案包括提升速度、可靠度及一系列持續(xù)強(qiáng)化處理，以避免因網(wǎng)絡(luò)流量過大、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸率中使用的調(diào)變方案較為復(fù)雜，對信號處理的要求也格外嚴(yán)格。麻煩的是，若要實(shí)現(xiàn)全球性的LTE，就必須運(yùn)用比3G更多的頻段，以往手持設(shè)備的基本需求為須具備七個頻段，而現(xiàn)在要達(dá)成真正的全球漫游則需十三個頻段以上。更重要的是，天線的性能限制嚴(yán)重威脅到速度，這使得多功能服務(wù)業(yè)者無不引頸盼望LTE能提供其承諾的投資回報率?？烧{(diào)諧射頻元件日趨重要 RF-MEMS設(shè)計居要位考慮到天線在LTE中的重要性日增，如何協(xié)助工程師設(shè)計出體積更小但性能更高的天線尤為關(guān)鍵，而動態(tài)可調(diào)諧射頻 （Dynamic Tunable RF）元件能運(yùn)用體積更小但網(wǎng)絡(luò)性能更大的天線來提升LTE性能，通過此技術(shù)，便能解決業(yè)界人士所熟知的既有空間限制。可調(diào)諧射頻元件系利用單一天線來接收更多頻率范圍，可進(jìn)一步減少手機(jī)實(shí)際運(yùn)作時，所需搭載的整體天線數(shù)量，對多重輸入輸出（MIMO）技術(shù)趨勢而言，意義重大，因?yàn)樵谠摷夹g(shù)中，有多達(dá)四支各具不同功能的天線存在；而可調(diào)諧射頻通過最高效率進(jìn)行發(fā)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(shù)已進(jìn)入市場的天線問題補(bǔ)償方案中，只有動態(tài)可調(diào)諧射頻微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)能有效達(dá)成目的。而目前技術(shù)較為領(lǐng)先的可調(diào)諧射頻元件系采用數(shù)字電容數(shù)組，并利用RF-MEMS技術(shù)將電子電路整合于單一硅晶粒（Die）上，以同時兼顧性能及尺寸要求。 RF-MEMS技術(shù)架構(gòu)如圖1所示，各部元件包括上蓋（Lip）、倒裝芯片墊（Flop Chip Pad）、調(diào)諧電容器（Tunable Capacitor）、硅基板（Silicon Substrate）和固定的被動與連接元件（Fixed Passives & Interconnect）。

　　損耗低/空間小 RF-MEMS技術(shù)優(yōu)勢多 RF-MEMS電容器屬于機(jī)械元件，置于硅晶圓（Silicon Wafer）表面，其包含兩片金屬板，且會因外加電壓產(chǎn)生的靜電而靠在一起；此外，兩個金屬板之間還設(shè)有一絕緣層，如此即構(gòu)成電容器。相對于一般以電流通過半導(dǎo)體基板的實(shí)體開關(guān)，在RFMEMS元件上的電流則只在金屬中流動，故損耗極低，且能進(jìn)行超線性運(yùn)作。由于RF-MEMS電容器整合于單一互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）晶圓上，故所有控制MEMS的元件都存在于同一個晶粒上，這不僅節(jié)省路由空間，還將往來于控制線的信號耦合降至最低，這點(diǎn)特別重要，因?yàn)樵訒r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，其所需電壓就可由芯片上的整合電荷泵來產(chǎn)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(qū)動程序都可內(nèi)建，而所有電容設(shè)定皆可通過緩存器（Register）來選擇，不論緩存器是通過業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的串行周邊接口（SPI）寫成，還是以行動產(chǎn)業(yè)處理器接口（MIPI）聯(lián)盟的射頻前端控制（RFFE）串行接口寫成。另外，RF-MEMS元件的機(jī)械結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的機(jī)械共振頻率較低，約為60kHz。這是因?yàn)檎谓Y(jié)桿（Beam）會以驅(qū)動信號的半波長共振，故當(dāng)MEMS元件閉合，共振就不那么明顯，且會轉(zhuǎn)移為MHz的頻率。這種低機(jī)械共振頻率，造就其優(yōu)秀線性度，因?yàn)?MEMS元件并無法直接對GHz范圍的信號變化產(chǎn)生反應(yīng)。