用于4G/5G的下一代射頻開關(guān)解決方案

無線技術(shù)發(fā)展的歷史可以總結(jié)為數(shù)據(jù)速度不斷提高的歷史。從20世紀(jì)90年代引入的、僅傳話音的模擬1G標(biāo)準(zhǔn)開始，蜂窩標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)走了很長(zhǎng)的路。1G標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)初調(diào)制的是150MHz頻率的單頻段。到了2G時(shí)代，首個(gè)數(shù)字蜂窩標(biāo)準(zhǔn)引入了四頻段的系統(tǒng)解決方案，而增加頻段分配的趨勢(shì)到3G時(shí)得到了進(jìn)一步延續(xù)。為了支持全球漫游和更高的數(shù)據(jù)速度和容量需求，3G通常支持多達(dá)8個(gè)頻段。今天，隨著4G先進(jìn)的長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE-A)的推廣使用，我們正在目睹分配頻段的爆炸式增長(zhǎng)。鑒于對(duì)全球漫游和更寬頻率帶寬的需求，LTE開發(fā)已經(jīng)成為主導(dǎo)力量。

目前給LTE FDD和LTE TDD應(yīng)用分配的頻段已經(jīng)超過40個(gè)。隨著頻段的擴(kuò)展，我們體驗(yàn)到了數(shù)據(jù)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(dá)300Mbps的下行鏈路和50Mbps的上行鏈路數(shù)據(jù)速率。誠然，客戶和市場(chǎng)要求還在不斷提高。LTE-A上行鏈路的峰值數(shù)據(jù)速率目標(biāo)將高達(dá)1Gbps。即使這個(gè)值也只是第一步，目標(biāo)還在不斷的快速提高。與這個(gè)挑戰(zhàn)一起，增加移動(dòng)寬帶容量是必須的。據(jù)愛立信研究報(bào)告預(yù)測(cè)，2012年和 2018年之間的移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)有望增長(zhǎng)12倍，而且到2018年底，智能手機(jī)用戶將超過30億。

在無線行業(yè)中，對(duì)數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)容量需求的顯著增加被稱為“實(shí)現(xiàn)1000倍移動(dòng)數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)”。可以幫助我們應(yīng)對(duì)這個(gè)1000倍移動(dòng)數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)的解決方案將要求更多的頻譜。我們已經(jīng)知道，日本將在2015年引入3.5GHz(LTE TDD頻段42和43)，其他國家也將跟進(jìn)。下一步是引入100MHz的下行鏈路載波聚合(CA)。

只是為了比較，LTE cat6在2×1 MIMO移動(dòng)手機(jī)配置中使用了40MHz(20MHz+20MHz)的載波聚合。對(duì)于100MHz載波聚合帶寬來說，有必要將TDD和FDD LTE頻段組合起來。雖然從LTE cat1到LTE cat6，下行鏈路數(shù)據(jù)速率已經(jīng)增加了30倍，即從10Mbps增加到了300Mbps，但上行鏈路的數(shù)據(jù)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(dòng)(如世界杯、奧運(yùn)會(huì)等)期間，運(yùn)營商們經(jīng)歷了上行鏈路數(shù)據(jù)容量超過下行鏈路數(shù)據(jù)容量的情況。這種情況當(dāng)然引起了運(yùn)營商們對(duì)下行鏈路/上行鏈路發(fā)展矛盾的關(guān)注，他們?cè)絹碓狡惹械叵Ｍ业揭环N能夠減小下行鏈路/上行鏈路數(shù)據(jù)速度比值的方法。順著這個(gè)方向走出的前幾步將是在手機(jī)配置中引入發(fā)送的分集路徑(或2×2 MIMO)，并引入上行鏈路(或發(fā)送)載波聚合。

隨著“實(shí)現(xiàn)1000倍移動(dòng)數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)”目標(biāo)的進(jìn)一步深入，在越來越接近5G標(biāo)準(zhǔn)的過程， 移動(dòng)手機(jī)或用戶設(shè)備(UE)的射頻性能正在變成市場(chǎng)中一個(gè)真正關(guān)鍵的瓶頸。

高端智能手機(jī)中的射頻前端(RF-FE)架構(gòu)已經(jīng)變得異常復(fù)雜，必須支持滿足全球漫游需求的大量頻段和最少手機(jī)型號(hào)變化的方法。因此所需射頻前端元件的清單變得越來越長(zhǎng)。這種復(fù)雜的射頻環(huán)境引起了元件方面的諸多挑戰(zhàn)：插損(IL)、隔離和線性性能。頻段間載波聚合要求在單個(gè)射頻前端內(nèi)使用多個(gè)有效的接收/發(fā)送路徑，其對(duì)成本、性能和功耗的影響帶來了更多的復(fù)雜性，進(jìn)而導(dǎo)致需要減少來自兩條或更多條有效的接收和發(fā)送路徑的互調(diào)和交調(diào)。在這種環(huán)境中，射頻天線開關(guān)的線性性能變得至關(guān)重要(見圖1)。業(yè)內(nèi)通常用3GPP標(biāo)準(zhǔn)來衡量為了避免與網(wǎng)絡(luò)上的其它設(shè)備發(fā)生干擾所要求的線性程度。這是通過規(guī)定三階輸入截取點(diǎn)(IIP3)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)英特爾移動(dòng)公司的數(shù)據(jù)來源，2G對(duì)開關(guān)線性度的要求是IIP3=55dBm，3G開關(guān)要求是65dBm，LTE開關(guān)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(guān)必須滿足IIP3=90dBm的要求。

圖1：未來手機(jī)的線性度要求。

目前固態(tài)開關(guān)技術(shù)(如SOI或SOS)正在接近技術(shù)極限，將無法達(dá)到IIP3=90dBm的要求(見圖2)。問題在于它們較差的 Ron×Coff=120品質(zhì)因數(shù)(FoM)開關(guān)和內(nèi)部關(guān)斷狀態(tài)下SOI/SOS晶體管的漏電流，它將影響開關(guān)的線性度、插入損耗和隔離度。針對(duì)高的多擲開關(guān)配置和更高頻段增加開關(guān)擲數(shù)將進(jìn)一步快速劣化性能，使得這類開關(guān)不適合LTE-A的切換。能夠達(dá)到IIP3>90dBm這個(gè)射頻性能目標(biāo)的唯一一種開關(guān)是射頻MEMS開關(guān)。

圖2：SOI不再能夠應(yīng)對(duì)。

DelfMEMS射頻MEMS開關(guān)是表貼式微電機(jī)器件，使用機(jī)械運(yùn)動(dòng)切換射頻傳輸線是導(dǎo)通還是關(guān)斷(見圖3)。這種技術(shù)不受頻率依賴性和高多擲開關(guān)配置極限的影響。由于其品質(zhì)因數(shù)小于10，這種開關(guān)與現(xiàn)有固態(tài)解決方案相比可以提供極其優(yōu)異的線性度、插損和隔離性能。

圖3：DelfMEMS射頻開關(guān)。

DelfMEMS開關(guān)已經(jīng)成為典型的LTE-A射頻前端的理想解決方案，因?yàn)檫@時(shí)的低插損是關(guān)鍵。高的插損將直接負(fù)面影響智能手機(jī)的電池壽命，并降低接收靈敏度，進(jìn)而直接影響手機(jī)呼叫的質(zhì)量和數(shù)據(jù)的接收。據(jù)“前十大智能手機(jī)購買驅(qū)動(dòng)力”的用戶調(diào)查，超過一半的用戶認(rèn)為電池壽命是智能手機(jī)中最重要的特性。

在多擲數(shù)的高頻環(huán)境中，用DelfMEMS代替現(xiàn)有的SOI/SOS開關(guān)可以減小插損，從而節(jié)省多達(dá)17%的電池能量，并能使接收靈敏度提高29%。在3.5GHz時(shí)，這些異常改進(jìn)將變得更加顯著。頻段之間和收發(fā)之間的隔離好處同樣重要。DelfMEMS開關(guān)在2.7GHz頻段時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)40dB的隔離度，相比之下現(xiàn)有的固態(tài)開關(guān)隔離度只有18dB。

綜上所述，我們可以越來越清楚地看到，射頻MEMS具有固有的高線性度、高工作頻率、超低插損和很高的端口到端口隔離度，因此是LTE-A開關(guān)的完美選擇。

DelfMEMS射頻MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)使用了一種新的集成式微機(jī)械構(gòu)建模塊，以極具魯棒性的全新IP組合為基礎(chǔ)，包含了7個(gè)關(guān)鍵專利和創(chuàng)新技術(shù)。這種開關(guān)沒有使用懸臂梁或橋。這些梁或橋?yàn)榱私⒆栊越佑|，一般通過靜電驅(qū)動(dòng)高導(dǎo)電性電極，最終形成機(jī)械性開關(guān)。這些較老的結(jié)構(gòu)被證明存在諸多問題：錨上的應(yīng)力，可能的粘滯作用，切換速度低，可能發(fā)生懸臂梁爬電。

創(chuàng)新的DelfMEMS設(shè)計(jì)方法采用了無錨結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械式射頻切換，從根本上克服了這些歷史上遺留的設(shè)計(jì)問題，而不是簡(jiǎn)單地減輕上述問題。

這種解決方案采用了由兩組支柱和阻塞裝置夾持的自由靈活的膜。這種膜由2組電極進(jìn)行靜電驅(qū)動(dòng)，在導(dǎo)通狀態(tài)和靜電控制的關(guān)斷狀態(tài)都可以保持接觸(見圖 4)。接觸可以吸引到導(dǎo)線或遠(yuǎn)離導(dǎo)線。這種功能可以增加關(guān)斷狀態(tài)下電極和傳輸線之間的間距(直接鏈接到接觸隔離)，并能在不太可能的粘滯情況下復(fù)位開關(guān)。使用有源驅(qū)動(dòng)還允許恢復(fù)力、接觸力和梁的機(jī)械屬性之間去相關(guān)，因?yàn)閺膶?dǎo)通狀態(tài)到關(guān)斷狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是通過靜電驅(qū)動(dòng)完成的，不只是彈性恢復(fù)力。這種先進(jìn)的靜電驅(qū)動(dòng)同樣能將開關(guān)時(shí)間縮短到大約很短的2μs。

圖4： DelfMEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)的動(dòng)作示意圖。

DelfMEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)的另外一個(gè)強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)是，可以減小膜與傳輸線之間的間隙，因而通過降低膜的最大撓度來減小爬電和機(jī)械應(yīng)力。這樣能增加導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的接觸力，降低驅(qū)動(dòng)電壓，從而降低插入損耗。

由于采用了這種新奇和改進(jìn)的方法，DelfMEMS射頻MEMS開關(guān)還能用于其它射頻MEMS解決方案還沒有考慮到的市場(chǎng)：天線切換。對(duì)于真正兼容 LTE-A的移動(dòng)設(shè)備來說，關(guān)鍵要求有：更高的數(shù)據(jù)速率和容量，更長(zhǎng)的電池壽命和更好的信號(hào)接收質(zhì)量。達(dá)到這些目標(biāo)的解決方案是減少射頻前端的元件損耗、引入高頻頻段，擴(kuò)展下行鏈路并引入上行鏈路的載波聚合，提高頻段到頻段和收發(fā)之間的隔離度。

DelfMEMS的射頻MEMS開關(guān)解決方案在2GHz以上時(shí)具有0.25dB的插損和40dB的隔離度，針對(duì)高擲數(shù)開關(guān)的IIP3線性度大于 90dBm，因此這種開關(guān)是達(dá)成LTE-A目標(biāo)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損的應(yīng)用中代替現(xiàn)有的固態(tài)開關(guān)技術(shù)。