下一代射频开关解决方案

2017-08-18 10:55:08      点击:

   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。射频开关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。

 

  目前固态开关技术(SOISOS)正在接近技术极限,将无法达到IIP390dBm的要求。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开关

 

  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(LTETDD频段4243),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,LTEcat62×1MIMO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TDDFDDLTE频段组合起来。虽然从LTEcat1LTEcat6,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LTEcat15Mbps增加到了LTEcat650Mbps。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(2×2MIMO),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=55dBm3G开关要求是65dBmLTE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。

 

  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

 

  射频MEMSLTE-A开关的完美选择

 

  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

 

  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。

 

  射频开关解决方案在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。

 

  综上所述,我们可以越来越清楚地看到,射频开关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。

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