专家讲解：用于4G/5G的射频开关设计方案
品慧电子讯本篇文章讲解的是用于4G/5G的射频开关设计方案。创新的DelfMEMS设计方法采用了无锚结构实现机械式射频切换，从根本上克服了这些历史上遗留的设计问题，而不是简单地减轻问题。是不是很好奇到底是怎样的设计？无线技术发展的历史可以总结为数据速度不断提高的历史。从20世纪90年代引入的、仅传话音的模拟1G标准开始，蜂窝标准已经走了很长的路。1G标准当初调制的是150MHz频率的单频段。到了2G时代，首个数字蜂窝标准引入了四频段的系统解决方案，而增加频段分配的趋势到3G时得到了进一步延续。为了支持全球漫游和更高的数据速度和容量需求，3G通常支持多达8个频段。今天，随着4G先进的长期演进(LTE-A)的推广使用，我们正在目睹分配频段的爆炸式增长。鉴于对全球漫游和更宽频率带宽的需求，LTE开发已经成为主导力量。目前给LTE FDD和LTE TDD应用分配的频段已经超过40个。随着频段的扩展，我们体验到了数据速度和容量的显著增加。从2G下行链路(DL)和上行链路(UL)的14.4kps速度开始，如今的LTE cat6将提供高达300Mbps的下行链路和50Mbps的上行链路数据速率。诚然，客户和市场要求还在不断提高。LTE-A上行链路的峰值数据速率目标将高达1Gbps。即使这个值也只是第一步，目标还在不断的快速提高。与这个挑战一起，增加移动宽带容量是必须的。据爱立信研究报告预测，2012年和2018年之间的移动数据业务有望增长12倍，而且到2018年底，智能手机用户将超过30亿。在无线行业中，对数据速率和数据容量需求的显著增加被称为“实现1000倍移动数据挑战”。可以帮助我们应对这个1000倍移动数据挑战的解决方案将要求更多的频谱。我们已经知道，日本将在2015年引入3.5GHz(LTE TDD频段42和43)，其他国家也将跟进。下一步是引入100MHz的下行链路载波聚合(CA)。只是为了比较，LTE cat6在2×1 MIMO移动手机配置中使用了40MHz(20MHz+20MHz)的载波聚合。对于100MHz载波聚合带宽来说，有必要将TDD和FDD LTE频段组合起来。虽然从LTE cat1到LTE cat6，下行链路数据速率已经增加了30倍，即从10Mbps增加到了300Mbps，但上行链路的数据速率只增加了10倍，即从LTE cat1的5Mbps增加到了LTE cat6的50Mbps。但是，在最近举办的大型公众活动(如世界杯、奥运会等)期间，运营商们经历了上行链路数据容量超过下行链路数据容量的情况。这种情况当然引起了运营商们对下行链路/上行链路发展矛盾的关注，他们越来越迫切地希望找到一种能够减小下行链路/上行链路数据速度比值的方法。顺着这个方向走出的前几步将是在手机配置中引入发送的分集路径(或2×2 MIMO)，并引入上行链路(或发送)载波聚合。随着“实现1000倍移动数据挑战”目标的进一步深入，在越来越接近5G标准的过程， 移动手机或用户设备(UE)的射频性能正在变成市场中一个真正关键的瓶颈。高端智能手机中的射频前端(RF-FE)架构已经变得异常复杂，必须支持满足全球漫游需求的大量频段和最少手机型号变化的方法。因此所需射频前端元件的清单变得越来越长。这种复杂的射频环境引起了元件方面的诸多挑战：插损(IL)、隔离和线性性能。频段间载波聚合要求在单个射频前端内使用多个有效的接收/发送路径，其对成本、性能和功耗的影响带来了更多的复杂性，进而导致需要减少来自两条或更多条有效的接收和发送路径的互调和交调。在这种环境中，射频天线开关的线性性能变得至关重要(见图1)。业内通常用3GPP标准来衡量为了避免与网络上的其它设备发生干扰所要求的线性程度。这是通过规定三阶输入截取点(IIP3)实现的。根据英特尔移动公司的数据来源，2G对开关线性度的要求是IIP3=55dBm，3G开关要求是65dBm，LTE开关的IIP3要求是72dBm，具有上行链路载波聚合功能的LTE-A天线开关必须满足IIP3=90dBm的要求。
图1：未来手机的线性度要求。123下一页> - 第一页：用于4G/5G的射频开关设计方案（1）
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目前固态开关技术(如SOI或SOS)正在接近技术极限，将无法达到IIP3＝90dBm的要求(见图2)。问题在于它们较差的Ron×Coff=120品质因数(FoM)开关和内部关断状态下SOI/SOS晶体管的漏电流，它将影响开关的线性度、插入损耗和隔离度。针对高的多掷开关配置和更高频段增加开关掷数将进一步快速劣化性能，使得这类开关不适合LTE-A的切换。能够达到IIP3>90dBm这个射频性能目标的唯一一种开关是射频MEMS开关。
图2：SOI不再能够应对。DelfMEMS射频MEMS开关是表贴式微电机器件，使用机械运动切换射频传输线是导通还是关断(见图3)。这种技术不受频率依赖性和高多掷开关配置极限的影响。由于其品质因数小于10，这种开关与现有固态解决方案相比可以提供极其优异的线性度、插损和隔离性能。
图3：DelfMEMS射频开关。DelfMEMS开关已经成为典型的LTE-A射频前端的理想解决方案，因为这时的低插损是关键。高的插损将直接负面影响智能手机的电池寿命，并降低接收灵敏度，进而直接影响手机呼叫的质量和数据的接收。据“前十大智能手机购买驱动力”的用户调查，超过一半的用户认为电池寿命是智能手机中最重要的特性。在多掷数的高频环境中，用DelfMEMS代替现有的SOI/SOS开关可以减小插损，从而节省多达17%的电池能量，并能使接收灵敏度提高29%。在3.5GHz时，这些异常改进将变得更加显著。频段之间和收发之间的隔离好处同样重要。DelfMEMS开关在2.7GHz频段时能够实现40dB的隔离度，相比之下现有的固态开关隔离度只有18dB。<上一页123下一页> - 第一页：用于4G/5G的射频开关设计方案（1）
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综上所述，我们可以越来越清楚地看到，射频MEMS具有固有的高线性度、高工作频率、超低插损和很高的端口到端口隔离度，因此是LTE-A开关的完美选择。DelfMEMS射频MEMS开关结构使用了一种新的集成式微机械构建模块，以极具鲁棒性的全新IP组合为基础，包含了7个关键专利和创新技术。这种开关没有使用悬臂梁或桥。这些梁或桥为了建立阻性接触，一般通过静电驱动高导电性电极，最终形成机械性开关。这些较老的结构被证明存在诸多问题：锚上的应力，可能的粘滞作用，切换速度低，可能发生悬臂梁爬电。创新的DelfMEMS设计方法采用了无锚结构实现机械式射频切换，从根本上克服了这些历史上遗留的设计问题，而不是简单地减轻上述问题。这种解决方案采用了由两组支柱和阻塞装置夹持的自由灵活的膜。这种膜由2组电极进行静电驱动，在导通状态和静电控制的关断状态都可以保持接触(见图4)。接触可以吸引到导线或远离导线。这种功能可以增加关断状态下电极和传输线之间的间距(直接链接到接触隔离)，并能在不太可能的粘滞情况下复位开关。使用有源驱动还允许恢复力、接触力和梁的机械属性之间去相关，因为从导通状态到关断状态的转变是通过静电驱动完成的，不只是弹性恢复力。这种先进的静电驱动同样能将开关时间缩短到大约很短的2μs。
图4： DelfMEMS开关结构的动作示意图。DelfMEMS开关结构的另外一个强大优势是，可以减小膜与传输线之间的间隙，因而通过降低膜的最大挠度来减小爬电和机械应力。这样能增加导通状态时的接触力，降低驱动电压，从而降低插入损耗。由于采用了这种新奇和改进的方法，DelfMEMS射频MEMS开关还能用于其它射频MEMS解决方案还没有考虑到的市场：天线切换。对于真正兼容LTE-A的移动设备来说，关键要求有：更高的数据速率和容量，更长的电池寿命和更好的信号接收质量。达到这些目标的解决方案是减少射频前端的元件损耗、引入高频频段，扩展下行链路并引入上行链路的载波聚合，提高频段到频段和收发之间的隔离度。DelfMEMS的射频MEMS开关解决方案在2GHz以上时具有0.25dB的插损和40dB的隔离度，针对高掷数开关的IIP3线性度大于90dBm，因此这种开关是达成LTE-A目标的理想选择，可以在需要高频、超高线性度和隔离度以及非常低插损的应用中代替现有的固态开关技术。
