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如何使用可調(diào)諧射頻元件優(yōu)化LTE天線的性能與尺寸

2020-08-18 | pdf | 0.22 MB | 次下載 | 1積分

資料介紹

  移動(dòng)設(shè)備的設(shè)計(jì)趨勢(shì)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(shuō),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(jì)出更小尺寸且更高性能的天線。當(dāng)前長(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)劃(LTE)的發(fā)展勢(shì)頭迅猛,運(yùn)營(yíng)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(shí)的萬(wàn)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(guò)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(lái)說(shuō),高數(shù)據(jù)傳輸率中使用的調(diào)變方案較為復(fù)雜,對(duì)信號(hào)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(gè)頻段,而現(xiàn)在要達(dá)成真正的全球漫游則需十三個(gè)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(wú)不引頸盼望LTE能提供其承諾的投資回報(bào)率。可調(diào)諧射頻元件日趨重要 RF-MEMS設(shè)計(jì)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(jì)出體積更小但性能更高的天線尤為關(guān)鍵,而動(dòng)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(lái)提升LTE性能,通過(guò)此技術(shù),便能解決業(yè)界人士所熟知的既有空間限制??烧{(diào)諧射頻元件系利用單一天線來(lái)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(shí),所需搭載的整體天線數(shù)量,對(duì)多重輸入輸出(MIMO)技術(shù)趨勢(shì)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(guò)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(chǎng)的天線問(wèn)題補(bǔ)償方案中,只有動(dòng)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(shí)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(dòng)與連接元件(Fixed Passives & Interconnect)。

  損耗低/空間小 RF-MEMS技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(huì)因外加電壓產(chǎn)生的靜電而靠在一起;此外,兩個(gè)金屬板之間還設(shè)有一絕緣層,如此即構(gòu)成電容器。相對(duì)于一般以電流通過(guò)半導(dǎo)體基板的實(shí)體開(kāi)關(guān),在RFMEMS元件上的電流則只在金屬中流動(dòng),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(gè)晶粒上,這不僅節(jié)省路由空間,還將往來(lái)于控制線的信號(hào)耦合降至最低,這點(diǎn)特別重要,因?yàn)樵?dòng)時(shí)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(gè)CMOS晶粒上,其所需電壓就可由芯片上的整合電荷泵來(lái)產(chǎn)生,如此一來(lái),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(dòng)程序都可內(nèi)建,而所有電容設(shè)定皆可通過(guò)緩存器(Register)來(lái)選擇,不論緩存器是通過(guò)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的串行周邊接口(SPI)寫(xiě)成,還是以行動(dòng)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(xiě)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(huì)以驅(qū)動(dòng)信號(hào)的半波長(zhǎng)共振,故當(dāng)MEMS元件閉合,共振就不那么明顯,且會(huì)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(wú)法直接對(duì)GHz范圍的信號(hào)變化產(chǎn)生反應(yīng)。

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