【導讀】本篇文章講解的是用于4G/5G的射頻開關設計方案。創新的DelfMEMS設計方法采用了無錨結構實現機械式射頻切換，從根本上克服了這些歷史上遺留的設計問題，而不是簡單地減輕問題。是不是很好奇到底是怎樣的設計？
無線技術發展的歷史可以總結為數據速度不斷提高的歷史。從20世紀90年代引入的、僅傳話音的模擬1G標準開始，蜂窩標準已經走了很長的路。1G標準當初調制的是150MHz頻率的單頻段。到了2G時代，首個數字蜂窩標準引入了四頻段的系統解決方案，而增加頻段分配的趨勢到3G時得到了進一步延續。為了支持全球漫游和更高的數據速度和容量需求，3G通常支持多達8個頻段。今天，隨著4G先進的長期演進(LTE-A)的推廣使用，我們正在目睹分配頻段的爆炸式增長。鑒于對全球漫游和更寬頻率帶寬的需求，LTE開發已經成為主導力量。
目前給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，我們體驗到了數據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。誠然，客戶和市場要求還在不斷提高。LTE-A上行鏈路的峰值數據速率目標將高達1Gbps。即使這個值也只是第一步，目標還在不斷的快速提高。與這個挑戰一起，增加移動寬帶容量是必須的。據愛立信研究報告預測，2012年和2018年之間的移動數據業務有望增長12倍，而且到2018年底，智能手機用戶將超過30億。
在無線行業中，對數據速率和數據容量需求的顯著增加被稱為“實現1000倍移動數據挑戰”。可以幫助我們應對這個1000倍移動數據挑戰的解決方案將要求更多的頻譜。我們已經知道，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。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移動手機配置中使用了40MHz(20MHz+20MHz)的載波聚合。對于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，下行鏈路數據速率已經增加了30倍，即從10Mbps增加到了300Mbps，但上行鏈路的數據速率只增加了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(如世界杯、奧運會等)期間，運營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運營商們對下行鏈路/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小下行鏈路/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引入發送的分集路徑(或2×2 MIMO)，并引入上行鏈路(或發送)載波聚合。
隨著“實現1000倍移動數據挑戰”目標的進一步深入，在越來越接近5G標準的過程， 移動手機或用戶設備(UE)的射頻性能正在變成市場中一個真正關鍵的瓶頸。
高端智能手機中的射頻前端(RF-FE)架構已經變得異常復雜，必須支持滿足全球漫游需求的大量頻段和最少手機型號變化的方法。因此所需射頻前端元件的清單變得越來越長。這種復雜的射頻環境引起了元件方面的諸多挑戰：插損(IL)、隔離和線性性能。頻段間載波聚合要求在單個射頻前端內使用多個有效的接收/發送路徑，其對成本、性能和功耗的影響帶來了更多的復雜性，進而導致需要減少來自兩條或更多條有效的接收和發送路徑的互調和交調。在這種環境中，射頻天線開關的線性性能變得至關重要(見圖1)。業內通常用3GPP標準來衡量為了避免與網絡上的其它設備發生干擾所要求的線性程度。這是通過規定三階輸入截取點(IIP3)實現的。根據英特爾移動公司的數據來源，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天線開關必須滿足IIP3=90dBm的要求。
圖1：未來手機的線性度要求。
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目前固態開關技術(如SOI或SOS)正在接近技術極限，將無法達到IIP3＝90dBm的要求(見圖2)。問題在于它們較差的Ron×Coff=120品質因數(FoM)開關和內部關斷狀態下SOI/SOS晶體管的漏電流，它將影響開關的線性度、插入損耗和隔離度。針對高的多擲開關配置和更高頻段增加開關擲數將進一步快速劣化性能，使得這類開關不適合LTE-A的切換。能夠達到IIP3>90dBm這個射頻性能目標的唯一一種開關是射頻MEMS開關。
圖2：SOI不再能夠應對。
DelfMEMS射頻MEMS開關是表貼式微電機器件，使用機械運動切換射頻傳輸線是導通還是關斷(見圖3)。這種技術不受頻率依賴性和高多擲開關配置極限的影響。由于其品質因數小于10，這種開關與現有固態解決方案相比可以提供極其優異的線性度、插損和隔離性能。
圖3：DelfMEMS射頻開關。
DelfMEMS開關已經成為典型的LTE-A射頻前端的理想解決方案，因為這時的低插損是關鍵。高的插損將直接負面影響智能手機的電池壽命，并降低接收靈敏度，進而直接影響手機呼叫的質量和數據的接收。據“前十大智能手機購買驅動力”的用戶調查，超過一半的用戶認為電池壽命是智能手機中最重要的特性。
在多擲數的高頻環境中，用DelfMEMS代替現有的SOI/SOS開關可以減小插損，從而節省多達17%的電池能量，并能使接收靈敏度提高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，相比之下現有的固態開關隔離度只有18dB。
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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開關的完美選擇。
DelfMEMS射頻MEMS開關結構使用了一種新的集成式微機械構建模塊，以極具魯棒性的全新IP組合為基礎，包含了7個關鍵專利和創新技術。這種開關沒有使用懸臂梁或橋。這些梁或橋為了建立阻性接觸，一般通過靜電驅動高導電性電極，最終形成機械性開關。這些較老的結構被證明存在諸多問題：錨上的應力，可能的粘滯作用，切換速度低，可能發生懸臂梁爬電。
創新的DelfMEMS設計方法采用了無錨結構實現機械式射頻切換，從根本上克服了這些歷史上遺留的設計問題，而不是簡單地減輕上述問題。
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)。接觸可以吸引到導線或遠離導線。這種功能可以增加關斷狀態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位開關。使用有源驅動還允許恢復力、接觸力和梁的機械屬性之間去相關，因為從導通狀態到關斷狀態的轉變是通過靜電驅動完成的，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大約很短的2μs。
圖4： DelfMEMS開關結構的動作示意圖。
DelfMEMS開關結構的另外一個強大優勢是，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。
由于采用了這種新奇和改進的方法，DelfMEMS射頻MEMS開關還能用于其它射頻MEMS解決方案還沒有考慮到的市場：天線切換。對于真正兼容LTE-A的移動設備來說，關鍵要求有：更高的數據速率和容量，更長的電池壽命和更好的信號接收質量。達到這些目標的解決方案是減少射頻前端的元件損耗、引入高頻頻段，擴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之間的隔離度。
DelfMEMS的射頻MEMS開關解決方案在2GHz以上時具有0.25dB的插損和40dB的隔離度，針對高擲數開關的IIP3線性度大于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損的應用中代替現有的固態開關技術。
