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射頻/無線  

用於4G/5G的下一代RF開關設計

上網時間: 2014年12月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:射頻開關  載波聚合  LTE cat6  插入損耗  4G 

作者:Igor Lalicevic,DelfMEMS公司RF總監

   Karim Segueni,DelfMEMS公司技術長

無線技術發展歷史可以歸納為資料速度不斷提高的過程。從1990年代導入僅能傳送語音的類比1G標準開始,蜂巢式標準至今已經走過很長的路了。當時1G標準調變的是150MHz的單頻段。到了2G時代,首個數位蜂巢式標準導入了四頻段系統解決方案,而增加頻段分配的趨勢到3G時才得到進一步延續。

為了支援全球漫遊、更高的資料速度和容量需求,3G通常支援多達8個頻段。時至今日,隨著4G先進的長期演進(LTE-A)標準推廣使用,我們正目睹頻段分配應用的爆炸式成長。有鑒於用戶對全球漫遊和更寬頻率頻寬的需求,LTE技術開發已經成為主導力量。

目前為LTE FDD和LTE TDD應用分配的頻段已經超過40個。隨著頻段的擴展,我們體驗到資料速度和容量的顯著增加。從2G下行鏈路(DL)和上行鏈路(UL)的14.4kps速度開始,如今的LTE cat6將提供高達300Mbps的下行鏈路和50Mbps的上行鏈路數據速率。

當然,客戶和市場要求還在不斷提高。LTE-A上行鏈路的峰值資料速率目標將高達1Gbps。即使這個值也只是第一步,終極目標還在不斷的快速提高中。伴隨這項挑戰的是必須同步增加行動寬頻容量。根據愛立信研究報告預測,2012年和2018年之間的行動資料業務可望成長12倍,而且到2018年底,智慧型手機用戶將超過30億。

在無線產業中,對資料速率和資料容量需求的顯著增加被稱為‘實現1,000倍行動資料挑戰’,由此可知因應這個1,000倍行動資料挑戰的解決方案將需要更多的頻譜。我們已經知道,日本將在2015年導入3.5GHz(LTE TDD頻段42和43),其他國家也將跟進。下一步則是導入100MHz的下行鏈路載波聚合(CA)。

從比較的觀點來看,LTE cat6在2×1 MIMO行動手機配置中使用了40MHz(20MHz+20MHz)的載波聚合。對於100MHz載波聚合頻寬來說,有必要將TDD和FDD LTE頻段組合起來。雖然從LTE cat1到LTE cat6標準,下行鏈路數據速率已經增加了30倍,即從10Mbps增加到了300Mbps,但上行鏈路的資料速率只增加了10倍,即從LTE cat1的5Mbps增加到了LTE cat6的50Mbps。

但是,在最近舉辦的大型公眾活動(如世界盃、奧運會等)期間,廠商們經歷了上行鏈路數據容量超過下行鏈路數據容量的情況。這種情況當然引起了廠商們對下行鏈路/上行鏈路發展矛盾的關注,他們越來越迫切地希望找到一種能夠減少下行鏈路/上行鏈路數據速度比值的方法。順著這個方向走出的前幾步將是在手機配置中導入傳送的分集路徑(或2×2 MIMO),並導入上行鏈路(或發送)載波聚合。

隨著‘實現1,000倍行動資料挑戰’的目標進一步深入,在越來越接近5G標準的過程中,行動手機或使用者設備(UE)的射頻(RF)性能正變成市場中一個真正關鍵的瓶頸。

高階智慧型手機中的射頻前端(RF-FE)架構已經變得異常複雜,必須支援滿足全球漫遊需求的大量頻段和最少手機型號變化的方法。因此所需RF前端元件的清單變得越來越長。這種複雜的R環境引起了元件方面的諸多挑戰:插入損耗(IL)、隔離和線性性能。頻段間載波聚合要求在單個RF前端內使用多個有效的接收/發送路徑,這對於成本、性能和功耗的影響造成更大的複雜性,因而必須減少兩條或更多條有效接收和發送主動路徑的相互干擾與交互調變。

圖1:手機未來所需的線性度
圖1:手機未來所需的線性度。

在這種環境中,RF天線開關的線性性能變得至關重要(見圖1)。業界通常用3GPP標準來衡量為了避免與網路上的其它設備發生干擾所要求的線性度。基本上它規定了三階輸入截取點(IIP3)。根據英特爾公司的資料顯示,2G對開關線性度的要求是IIP3=55dBm,3G開關要求是65dBm,LTE開關的IIP3要求是72dBm,具有上行鏈路載波聚合功能的LTE-A天線開關則必須滿足IIP3=90dBm的要求。

目前固態開關技術(如SOI或SOS)正接近技術極限,將無法達到IIP3=90dBm的要求(見圖2)。問題在於其較差的Ron×Coff=120品質因子(FoM)開關和內部關斷狀態下SOI/SOS電晶體的漏電流,影響到開關的線性度、插入損耗和隔離度。針對高擲數的多擲開關配置和更高頻段增加開關擲數後,將會進一步加速退化性能,使得這類型的開關不適合用於LTE-A的切換。能夠達到IIP3>90dBm這個RF性能目標的唯一一種開關是RF MEMS開關。

圖2:SOI固態開關正接近技術極限,無法達到IIP3=90dBm的要求。
圖2:SOI固態開關正接近技術極限,無法達到IIP3=90dBm的要求。

DelfMEMS RF MEMS開關是表面微機械元件,使用機械運動切換RF傳輸線路進行導通或關斷(見圖3)。這種技術不受頻率依賴性和高多擲數開關配置極限的影響。由於其品質因子小於10,這種開關與現有固態解決方案相較更能提供極其優異的線性度、插入損耗和隔離性能。

圖3:DelfMEMS射頻開關。
圖3:DelfMEMS射頻開關

DelfMEMS開關已經成為典型LTE-A RF前端的理想解決方案,因為這時的低插入損耗是關鍵。高插入損耗將直接負面影響智慧型手機的電池壽命,並降低接收靈敏度,進而直接影響手機通話的品質和資料的接收。據‘前十大智慧型手機購買驅動力’的用戶調查,超過一半的用戶認為電池壽命是智慧型手機中最重要的特性。

在多擲數的高頻環境中,用DelfMEMS取代現有的SOI/SOS開關可以減少插入損耗,因而節省多達17%的電池能量,並使接收靈敏度提高29%。在3.5GHz時,這些異常改進將變得更加顯著。頻段之間和收發之間的隔離好處同樣重要。DelfMEMS開關在2.7GHz頻段時能夠實現40dB的隔離度,相較之下,現有的固態開關隔離度只有18dB。

綜上所述,我們可以越來越清楚地看到,RF MEMS具有高線性度、高工作頻率、超低插入損耗和很高的埠對埠隔離度,因此是LTE-A開關的完美選擇。

DelfMEMS RF MEMS開關結構使用一種新的整合式微機械建構模組,以極具強韌性的全新IP組合為基礎,包含了7個關鍵專利和創新技術。這種開關並未使用靜電啟動高導電性的電極懸樑或橋接來建立機械性開關導致的阻性接觸。這些較老的結構已被證明存在諸多問題:錨上應力、可能的黏滯作用、切換速度低,以及可能發生懸樑爬電。

創新的DelfMEMS設計方法採用無錨結構實現機械式RF切換,從根本上克服了這些固有的設計問題。這種解決方案採用由兩組支柱和阻塞裝置支撐的彈性薄膜。這種薄膜由2組電極進行靜電驅動,在導通狀態和靜電控制的關斷狀態都可以保持接觸(見圖4),以吸引到導線或遠離導線。這種功能可增加關斷狀態下電極和傳輸線之間的間距(直接連結到接觸隔離),並在黏滯情況下重定開關。使用主動驅動還允許恢復力、接觸力和懸樑的機械屬性之間抗相關,因為從導通狀態到關斷狀態的轉變是透過靜電驅動完成的,不只是彈性恢復力。這種先進的靜電驅動同樣能將開關時間縮短到更短的2μs。

圖4: DelfMEMS開關結構的動作示意圖。
圖4: DelfMEMS開關結構的動作示意圖。

DelfMEMS開關結構的另一個強大優勢是減少薄膜與傳輸線之間的間隙,因而透過降低薄膜的最大可撓性來減少爬電和機械應力。這樣能增加導通狀態時的接觸力,降低驅動電壓,從而降低插入損耗。

由於採用了這種新式的改良方法,DelfMEMS RF MEMS開關還能用於其它RF MEMS解決方案尚未考慮到的市場:天線切換。對於真正相容LTE-A的行動設備來說,關鍵要求包括更高的資料速率和容量、更長的電池壽命以及更好的訊號接收品質。達到這些目標的解決方案是減少RF前端的元件損耗、導入高頻頻段、擴展下行鏈路、導入上行鏈路的載波聚合,以及提高頻段到頻段和收發之間的隔離度。

DelfMEMS的RF MEMS開關解決方案在2GHz以上時具有0.25dB的插入損耗和40dB的隔離度,針對高擲數開關的IIP3線性度大於90dBm,因此這種開關是達成LTE-A目標的理想選擇,可以在需要高頻、超高線性度和隔離度以及非常低插入損耗的應用中取代現有的固態開關技術。





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