重磅:可调射频(RF)器件技术概述

万物云联网cloudioe2020-09-15 09:15:17

在过去的十年中,蜂窝行业已经看到为了支持无线连接对射频无线电的需求和能力发生了巨大变化。射频无线电已于2000年从单模四频2G系统发展为2010年的三模9频(4×GSM,5×UMTS加HSPA +),高速数据系统,再到今天的至少有60余个频段的LTE和LTE-A系统。而承载这些所需要的新功能只有少于三分之一的物理区域。 CMOS的技术从0.35微米发展到65纳米甚至更低,前端智能集成包括融合功率放大器和高度复杂的天线开关模块以及更强大和更紧凑的滤波器等新产品形态的创新。

随着4G LTE系统的快速部署,趋势持续,推动新的工作频段和工作模式。尽管CMOS工艺可能会继续扩展,但是由于物理限制,模拟信号RF(射频)前端和天线对手机功能的扩展造成了特别的挑战。为了使前端技术能够支持手机的持续发展,我们必须引入新的使能技术,我们可以通过封装和混合集成来接近技术改进的极限。天线带宽受到手机物理体积要求高度的限制。随着频带和模式数量的增加,可调射频元件将能够继续满足市场对尺寸和总体积显著降低的要求。此外,射频前端的可调谐性还可实现以前只能在单模应用中才能实现的手机外形尺寸,例如,天线调谐器允许单个天线覆盖所有传统蜂窝频段以及新增的LTE频段。

图、3GPP定义的LTE频段

图、3GPP定义的LTE频段

今天,有几种技术提供了有用的可调RF(射频)功能。诸如开关电容网络(RF开关加集成的MIM电容)的传统技术以及诸如钛酸钡锶(BST,Barium Strontium Titanate )和微机电系统(MEMS,Micro Electro-Mechanical Systems)等新技术现在都在使用中。这些方法都能够动态改变射频元件内的阻抗,同时引入最小的损耗。本文详细研究了所有这些各种技术在满足迅速扩大的RF(射频)前端的新要求的能力。

自20世纪90年代初数字蜂窝革命开始以来,运营商和手机制造商一直在努力增加手机的功能。用户需求已经从简单的语音通信转向跨不同网络的漫游,可能在不同的频带上工作,并最终转向更高的数据带宽以支持功能强大的智能手机和其他移动计算设备。

例如,最初的2G GPRS系统可以以56 kb / s的速率(使用四个时隙)传输数据,而2.5 G EDGE系统则将该速率提高到了384 kb / s。具有3G功能的设备可以实现高达2 Mb / s的数据速率,但实现这些高速率更加依赖于用户环境。 4G的趋势仍在继续,初期的理论数据速率可以高达70 Mb / s,最近业界已经能够实现Gbps的传输速率了。更高的数据速率推动了对额外频谱的需求,从90年代初期的单频操作扩展到超过38个频段,支持从700到3500 MHz的2/3 / 4G的全球频段,并且还在继续扩展。与此同时,移动设备本身正在朝着更引人注目的形式发展,在屏幕尺寸和整体体积之间进行权衡,导致设计极其简单。这种“Thin Is In(“瘦”是时髦的)”趋势降低了天线的有效带宽能力,特别是在低频率下的辐射效率。因此,覆盖具有语音能力的频带(例如Band V或Band VIII)以及诸如Band XII或XIII的低频LTE频带的手机已经被驱使使用多个天线。

英特尔移动通信公司的Jan-Erik Mueller有趣的行业观察发现了这一趋势。在过去的十年中,我们已经看到射频无线电从单模,四频2G系统演变为三模9频(4×GSM,带HSPA +的5×UMTS)系统,再到如今的N频4模LTE系统,仅使用三分之一的物理面积,并且预期这种趋势会持续下去。

图1、无线射频前端的复杂性和扩展所带来的挑战。

尽管无线电的数字部分按照摩尔定律继续扩展,但模拟前端元件(滤波器,开关,放大器,天线)主要依靠封装改进的改进和集成来支持这一发展趋势,而核心功能元件由于具有物理功率和频率限的制,因此,必须包括额外的元件来覆盖附加的频段/工作模式,或者元件必须具有足够的带宽来覆盖限制其尺寸和性能的所有的或者几组模式。

图、1G和3G移动通信中的射频前端系统

图、4G射频前端系统

可调射频(RF)技术正在改变游戏规则。近年来,可调谐射频技术使前端设计人员能够更自由地创建可配置的匹配电路。这些可用于调整天线匹配以减少失配损耗并提高天线在除原始设计频率以外的频率下的整体效率,从而使单个天线可用于更多的模式和频段。可调谐射频(RF)电路也可用于天线负载调谐,其中可调电容器插入天线负载(地)以改变天线的有效电长度。这最初是使用分立开关和电容来实现的,但现在可以用更高的精度,多个调谐状态和更低的损耗来实现。此外,这些调谐元件还可用来实现新一代紧凑型可调谐滤波器以及用于功率放大器和LNA的可调射频(RF)匹配电路。除了改善射频(RF)前端的尺寸外,已经有可用的高Q值和高线性的可调电容能够帮助在紧凑的外形尺寸下提高了系统的性能,并且还可以实现全新的射频前端架构。

可调谐射频器件技术

目前,三种基本技术正在用于实现可调谐射频电路,目前主要关注天线调谐电路。这些技术是:

图2、传统的天线负载开关

1、开关电容

场效应晶体管(FET)多年来一直被用于提供天线负载调谐。这种负载调谐方法通常使用SPDT开关在两个不同的离散电抗网络(电容或者电感)之间进行选择,以修改天线的谐振频率(见图2)。

目前,开关电容解决方案通常采用GaAs或CMOS开关FET,集成金属 - 绝缘体 - 金属(MIM,metal-insulator-metal)电容,通常采用4至6bits位来进行配置(见图3)。

FET在导通电阻和关断电容之间具有固有的权衡特性,其可以通过工业标准品质因数(FoM,figure-of-merit)即Ron * Coff来进行表征。导通电阻(Ron)影响器件的Q值,而关断电容(Coff)会增加由于关断支路而导致的寄生容性负载。为了获得合理的性能,采用GaAs j-PHEMT,硅基于蓝宝石(SOS,silicon-on-sapphire )或者绝缘体上硅(SOI,silicon-on-insulator )制造的栅极长度为0.13至0.25μm的FET与MIM电容器集成在一起。对于高功率应用,由于天线会遇到高的VSWR的影响,因此会遇到高达40至100 V的电压的场景。在许多情况下,晶体管和/或电容器的击穿电压将不能满足功率处理能力的要求因此必须被堆叠起来,从而相应地增加了开关电路的插入损耗和成本/尺寸。

图3、开关电容

硅基于蓝宝石(SOS,silicon-on-sapphire )或者绝缘体上硅(SOI,silicon-on-insulator )的 FET具有接近pHEMT器件的Ron,范围为1.5至2.5Ω/毫米。这些工艺技术具有类似的关断电容(Coff),导致Ron·Coff的品质因数(FoM)为200到400 femtoseconds。对于5:1的总电容比以及相关的MIM电容损耗和寄生效应,这导致在1 GHz的最大电容状态下,有效Q值为25至50。对于阻抗匹配应用以及VSWR相对较低的天线,开关电容器解决方案的这个适度的Q值可能会具有可接受的性能。硅FET工作在标准控制电压电平下,因此不需要产生额外的电压电平来运行。数字控制接口电路可以直接集成到硅开关电容上,但GaAs电路需要单独的CMOS控制器。

开关电容的优缺点:

优点:

低电压工作

总切换周期短

低寄生并联电容

低成本,高出货量的标准技术

缺点:

低Q和/或低比率(需要设计权衡)

低击穿电压

线性(IP3,谐波)差

2、钛酸钡锶(BST,Barium Strontium Titanate)

铁电材料和顺电材料利用其高介电常数提供可控的高电容密度,其可以随施加的电压而变化。 BST是用于RF应用的最常见的顺电体材料,其表现出与施加的电压大约有3:1的电容变化,这个比率通常会被故意限制以提供稳定的温度操作和合理的线性。

当施加的电场接近零时,晶格中的晶胞易于极化,导致峰值介电常数,因此在用作电容器电介质时具有较大的电容值。当施加电场时,所产生的极化降低了附加场的灵敏度从而降低了有效介电常数。这种固有的非线性行为被用于构建由施加的电压控制的可变电容。与基于开关切换的系统相比,这种可变电容技术可以降低损耗,从而扩大其应用范围。然而,工作的基本热力学原理可能会导致热稳定性问题。对改进材料和电路操作点的大量投资很大程度上解决了这些问题。请注意,模拟控制需要高电压。高电压控制在一个单独的芯片中实现,该芯片还包含一个串行接口。目前的关键限制包括混合模拟系统的低调谐比率,边际线性度和成本。

图4、单个BST电容

BST电容器制造尚不能与单片CMOS兼容集成,因此需要单独的控制芯片用于手机中。该芯片将提供一个可编程电荷泵来产生可变的高电压,同时还可能包括集成的数字接口和其他电路。请注意,与开关电容固有的数字特性相比,BST电容是一个平滑变化的模拟电容。

由于BST提供单个可变电容而不需要与电容器串联的FET开关,因此该方法的整体Q值更高(见图4)。由于应用的控制电压是通过与RF相同的端口施加的,因此必须特别注意保持线性度,以便RF(射频)或者低频调制不会直接调制会增加杂散分量的电容。这涉及堆叠电容以降低跨越单个电容的RF电压并交替改变DC控制电压的极性以改善线性度。但是,直接堆叠电容会降低有效电容密度。

钛酸钡锶(BST)的优缺点:

优点:

中等Q值

总开关切换周期短

可实现高电容密度

缺点:

线性差

调谐比例低

模拟控制,需要控制芯片

3、微机电系统(MEMS)

MEMS技术现在可用于射频应用中。该技术由提供可调电容的CMOS集成可移动机械结构组成。小机械梁通过集成CMOS控制器施加静电力来激励,机械梁直接属于RF网络的一部分。因此,每个MEMS梁的RF路径基本上是一对具有电容器介质(“导通”状态)或者将两条金属迹线分开的空气间隙(“关断”状态)的金属迹线(见图5)。这些MEMS梁被配置成阵列形成具有许多状态(相当于6到9bits位的分辨率)的数字电容器。该阵列可以细分为串联和/或并联分支,或者某些组合。

图5 MEMS电容元件:顶部元件“关断”,下部元件“导通”。

图、MEMS电容对

MEMS提供了对许多前述缺陷的性能增强。射频路径是通过机械设备上的金属迹线(在RF处几乎没有频率响应)而非固态结,因此其Q值和线性要高得多。而且,对于商用MEMS产品,DC电压与RF路径物理分离;因此,其电压处理能够非常高,可以承受超过120V的峰值电压。传统上,MEMS器件需要专门的封装来保持可移动结构周围的密封环境,但该技术现在允许在晶圆级完全封装器件,并且实现标准的低成本封装甚至是晶圆级芯片尺寸封装。然而,作为机械装置,MEMS电容存在老化效应,最终将导致与磨损有关的器件故障。 MEMS器件是数字器件,其温度依赖性非常小,电容温度系数在-200 ppm /°C范围内。

微机电系统(MEMS)的优缺点:

优点:

高Q

高线性(IP3和谐波)

电压处理能力高

温度稳定

完全集成

缺点:

总周期

CMOS工艺复杂性(成本)

下面的表1列出了各种可调RF技术的优缺点。

表1、各种可调RF技术的优缺点

应用

天线负载调谐

今天,上述负载阻抗调谐方法受益于具有更高Q值更低损耗的器件,以及更高的调谐分辨率来微调频率选择从而正在实际的电路中应用。负载调谐必须纳入到天线设计中,因为它会影响天线的有效电长度,如图6所示。接有负载的天线通常具有较窄的瞬时带宽,并且能够通过具有高电压处理和良好线性度的调谐元件中得到较大的受益。

图6、天线负载调谐器

天线阻抗匹配

除了天线负载调谐之外,可调谐阻抗匹配(TIM,Tunable Impedance Match)可以由新的可调射频(RF)技术来支持。如图7所示,这本质上是一个天线输入端(50Ω接口处)的电抗调谐网络。如果天线与50Ω目标阻抗匹配的不好,则可调谐阻抗匹配(TIM,Tunable Impedance Match)将在某个频率范围内提供匹配。可接受损耗的天线阻抗覆盖范围取决于调谐器的Q值和电容比。

图7、可调阻抗匹配(只显示了一个简单的拓扑结构)

表征天线阻抗调谐器有效性的一种方法是查看“相对传导增益(Relative Transducer Gain)或者RTG.”RTG(或ΔGT)被定义为:

相对传导增益RTG的公式

或者简单地说,使用调谐器传送给天线的功率相对于将在没有调谐器的情况下传送到同一天线上的功率。图8显示了一个RTG的典型特性,作为天线负载幅度和相位的函数。该图显示了天线表现出19:1的 VSWR时可以获得4至5 dB的性能改善。

其他应用

可调谐滤波器

未来高Q可调电容将会使用在可调谐滤波器中。这些应用可以是采取陷波滤波器形式用于特定的干扰抑制中(例如,在载波聚合(carrier aggregation)或者同时有语音和数据的应用中),或者可以为某个接收频率提供噪声抑制。由于电压和损耗在谐振时会倍增,因此在滤波器应用中 Q值,电压处理和线性要求甚至更大。小的步进或者分辨率对于可调滤波器来说也非常重要,以允许精确控制滤波器的响应。

图8、 824 MHz的MEMS调谐器的RTG

功率放大器的可调谐匹配

无线前端的最新趋势已经导致宽带PA的需求。这样可以减少功放的数量,同时仍然支持所需的多个频段。然后应用开关/滤波器网络来正确滤波PA中产生的落在Rx频段中的噪声和谐波。由于宽带功放的谐波频率不能有效地被终止,因此宽带功率放大器的功率附加效率(PAE, Power Added Efficiency)会降低。高Q值可调电容可用于提供窄带匹配,并且具有固有的Rx频带噪声抑制能力,同时可能优化谐波调谐/滤波。窄带匹配与这些其他功能相结合,可实现效率极高的功率放大器,在宽频率范围内保持稳定和可调,并且CMOS和GaAs功放都能够同样如此实现。

图9、传统的4G射频前端 vs 可调谐的4G射频前端

结论

可调RF技术正在为无线系统RF前端开辟新的应用前沿。在更宽的频率范围内,更小尺寸的天线,头部和手部负载的补偿以及支持VSWR更高的更为激进的天线设计等,为手机或平板电脑的工业设计提供了更大的灵活性。随着更多可调谐元件的上市,我们将看到RF前端面积和成本将会进一步降低,以及实现更好的RF性能和更宽的工作频率范围。可调射频元件的预期性能最终将实现真正的软件定义无线电,即无线电前端的数字和模拟部分都是完全可编程的。

图10、软件无线电前端系统

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