RF MEMS para Estaciones Base
Arquitecturas de Estaciones Base
Hoy en día, el proveedor de infraestructura tiene que ofrecer una gran variedad de productos de estaciones base
Variantes de una estación base para satisfacer la mayoría de las necesidades de los operadores. Además de tener que ofrecer compatibilidad con varios estándares, tales como GSM, UMTS, CDMA, hay también varias bandas de frecuencia en las que el sistema puede operar. Más aun, hay también varios niveles / clases de potencia RF. Suponiendo que haya que ofrecer compatibilidad con 4 estándares, 11 bandas de frecuencia y 5 niveles de potencia de salida, habrían 220 productos diferentes, según se exhibe en la Figura 9.
Desde luego, una gran fracción de todas las combinaciones potenciales, o son irrelevantes para el mercado, o no están reflejadas en los estándares. Suponiendo que se descarte el 85% de las combinaciones, el 15% restante todavía implicaría 33 diferentes variantes. Desde la perspectiva de la cadena de suministro, es altamente deseable el lograr un alto nivel de concordancia entre las variantes restantes, ya que el método clásico de un producto de estación base dedicado para cada situación especifica ocasiona el que se pierdan una multitud de
efectos sinérgicos.
Examinando el resto de las variantes, se puede apreciar que las variantes más grandes se encuentran en las bandas de frecuencia. Las variantes a lo largo del eje de los estándares pueden circumscribirse a sólo dos estándares grandes para el futuro, los cuales son UMTS y CDMA, incluyendo sus evoluciones HSDPA y EVDO. Y de todos modos, UMTS y CDMA pertenecen a la misma familia de sistemas de códigos múltiples ("code multiplex systems"), con diferencias promordialmente reflejadas en el procesamiento de la banda base y diferencias que se limitan al sector de la radio. Con respecto a las clases deÇ potencia, la limitación a dos niveles podría ser aceptable también. En última instancia, esto significa que el eje de banda de frequencia ("Frequency band") es el mayor contribuyente a las variantes. Esto, a su vez, obliga a un proveedor de infraestructura a buscar tecnología que facilite una radio unificada que pueda servir múltiples bandas de frecuencia. "Servir" aqui significa que una u otra banda de frecuencia podrá seleccionarse.
No significa que habría que proveer acceso a las diferentes bandas simultáneamente. En la literatura, esto es denominado una radio reconfigurable. Reconfiguración se refiere a que las caracteristicas RF pueden redefinirse mediante programación o "software", no mediante una modificación manual o sintonización. Desde ésta perspectiva, uno diría que tal radio es una radio definida
por software, pero en el dominio analógico. Ésta es una noción más amplia del término "radio definida por
software" ("Software defined radio"—SDR) para permitir que las propiedades de las etapas procesadoras de señales sean definidas por software, no solamente en lo que respecta a lo digital sino, también, en el dominio analógico (RF)
Para distinguir la noción clásica de la tecnología de la radio definida por software, la cual se enfoca pricipalmente en la parte digital de una radio, de la nueva noción del SDR, incluyendo ahora también las etapas analógicas, una terminología adicional se está estableciendo en la literatura, a saber, la de "radio de frecuencia ágil" o "radio reconfigurable". Agilidad de frecuencia se refiere a la capacidad de la radio para operar en múltiples bandas, mientras que SDR en el pasado contemplaba únicamente la capacidad para operar en múltiples estándares. De manera que la capacidad de múltiples bandas está reflejada en la radio y la capacidad para estándares múltiples está primordialmente reflejada en el sector que procesa la banda base. La capacidad de potencia de salida está entonces definida por el tamaño del amplificador de potencia.
En el contexto de una estación base, es muy deseable el que no sólo la radio, sino también otras etapas RF ofrezcan agilidad de frecuencia. Esto significa que también el amplificador de potencia y los filtros, como los duplexores, deben poseer agilidad de frecuencia o, en otras palabras, deben ser reconfigurables La Figura 10 muestra el concepto de la estación base con
agilidad de frecuencia.
Si todas las etapas relacionadas a la RF fueran reconfigurables por software, entonces también la reconfiguración remota de la banda de frecuencia de operación de una estación base sería factible. En el caso de estaciones base, se evitaría el visitarla para efectuar la reconfiguración, ya que esto implica enormes costos y largos periodos en los que la estación base estaría fuera de servicio.
Varios niveles de reconfiguración pueden imaginarse:
a) Reconfiguración al enviarse al campo. Esto significa que al momento de enviar una estación base ésta se configure para operar en una banda de frecuencia y que no es posible hacer reconfiguraciones futuras. Esto sería compatible con quemar una matriz de fusibles con un convertidor de calibración. De modo que esto es equivalente a reconfiguración una sola vez.
b) Reconfiguración mediante la reinicialización ("reboot") Esto significa que una estación base tiene que ser reinicializada para activar su operación en otra banda de frecuencia. Tal reinicialización puede efectuarse muchas veces. Sin embargo, una reinicialización implica irse fuera de servicio y puede tomar un periodo de tiempo.
Arquitecturas de Estaciones Base
Hoy en día, el proveedor de infraestructura tiene que ofrecer una gran variedad de productos de estaciones base
Variantes de una estación base para satisfacer la mayoría de las necesidades de los operadores. Además de tener que ofrecer compatibilidad con varios estándares, tales como GSM, UMTS, CDMA, hay también varias bandas de frecuencia en las que el sistema puede operar. Más aun, hay también varios niveles / clases de potencia RF. Suponiendo que haya que ofrecer compatibilidad con 4 estándares, 11 bandas de frecuencia y 5 niveles de potencia de salida, habrían 220 productos diferentes, según se exhibe en la Figura 9.
Desde luego, una gran fracción de todas las combinaciones potenciales, o son irrelevantes para el mercado, o no están reflejadas en los estándares. Suponiendo que se descarte el 85% de las combinaciones, el 15% restante todavía implicaría 33 diferentes variantes. Desde la perspectiva de la cadena de suministro, es altamente deseable el lograr un alto nivel de concordancia entre las variantes restantes, ya que el método clásico de un producto de estación base dedicado para cada situación especifica ocasiona el que se pierdan una multitud de
efectos sinérgicos.
Examinando el resto de las variantes, se puede apreciar que las variantes más grandes se encuentran en las bandas de frecuencia. Las variantes a lo largo del eje de los estándares pueden circumscribirse a sólo dos estándares grandes para el futuro, los cuales son UMTS y CDMA, incluyendo sus evoluciones HSDPA y EVDO. Y de todos modos, UMTS y CDMA pertenecen a la misma familia de sistemas de códigos múltiples ("code multiplex systems"), con diferencias promordialmente reflejadas en el procesamiento de la banda base y diferencias que se limitan al sector de la radio. Con respecto a las clases deÇ potencia, la limitación a dos niveles podría ser aceptable también. En última instancia, esto significa que el eje de banda de frequencia ("Frequency band") es el mayor contribuyente a las variantes. Esto, a su vez, obliga a un proveedor de infraestructura a buscar tecnología que facilite una radio unificada que pueda servir múltiples bandas de frecuencia. "Servir" aqui significa que una u otra banda de frecuencia podrá seleccionarse.
No significa que habría que proveer acceso a las diferentes bandas simultáneamente. En la literatura, esto es denominado una radio reconfigurable. Reconfiguración se refiere a que las caracteristicas RF pueden redefinirse mediante programación o "software", no mediante una modificación manual o sintonización. Desde ésta perspectiva, uno diría que tal radio es una radio definida
por software, pero en el dominio analógico. Ésta es una noción más amplia del término "radio definida por
software" ("Software defined radio"—SDR) para permitir que las propiedades de las etapas procesadoras de señales sean definidas por software, no solamente en lo que respecta a lo digital sino, también, en el dominio analógico (RF)
Para distinguir la noción clásica de la tecnología de la radio definida por software, la cual se enfoca pricipalmente en la parte digital de una radio, de la nueva noción del SDR, incluyendo ahora también las etapas analógicas, una terminología adicional se está estableciendo en la literatura, a saber, la de "radio de frecuencia ágil" o "radio reconfigurable". Agilidad de frecuencia se refiere a la capacidad de la radio para operar en múltiples bandas, mientras que SDR en el pasado contemplaba únicamente la capacidad para operar en múltiples estándares. De manera que la capacidad de múltiples bandas está reflejada en la radio y la capacidad para estándares múltiples está primordialmente reflejada en el sector que procesa la banda base. La capacidad de potencia de salida está entonces definida por el tamaño del amplificador de potencia.
En el contexto de una estación base, es muy deseable el que no sólo la radio, sino también otras etapas RF ofrezcan agilidad de frecuencia. Esto significa que también el amplificador de potencia y los filtros, como los duplexores, deben poseer agilidad de frecuencia o, en otras palabras, deben ser reconfigurables La Figura 10 muestra el concepto de la estación base con
agilidad de frecuencia.
Si todas las etapas relacionadas a la RF fueran reconfigurables por software, entonces también la reconfiguración remota de la banda de frecuencia de operación de una estación base sería factible. En el caso de estaciones base, se evitaría el visitarla para efectuar la reconfiguración, ya que esto implica enormes costos y largos periodos en los que la estación base estaría fuera de servicio.
Varios niveles de reconfiguración pueden imaginarse:
a) Reconfiguración al enviarse al campo. Esto significa que al momento de enviar una estación base ésta se configure para operar en una banda de frecuencia y que no es posible hacer reconfiguraciones futuras. Esto sería compatible con quemar una matriz de fusibles con un convertidor de calibración. De modo que esto es equivalente a reconfiguración una sola vez.
b) Reconfiguración mediante la reinicialización ("reboot") Esto significa que una estación base tiene que ser reinicializada para activar su operación en otra banda de frecuencia. Tal reinicialización puede efectuarse muchas veces. Sin embargo, una reinicialización implica irse fuera de servicio y puede tomar un periodo de tiempo.
Figura 10. Arquitectura de una estación base con agilidad de frecuencia.
c) Reconfiguración cada vez que se recibe una llamada Éste es el nivel de reconfiguración dinámica más alto. Sin embargo, esto requiere un esfuerzo tremendo, el cual muy probablemente no podrá ser justificado por los beneficios. Los operadores de las redes están interesados en obtener garantías de cobertura y capacidad y, por tanto, realizan una planificación muy cuidadosa de la red, y cambios a ésta son hechos raras veces para no arriesgar la estabilidad de la misma. De manera que la reconfiguración, por razones teniendo que ver con la optimización de la red, no se efectuarían muy frecuentemente. Y si se necesitara hacer una reconfiguración, un operador usualmente esperaría hasta la noche, cuando el tráfico es bajo y la pérdida del servicio menos crítica.
Para terminales, la situación es diferente, ya que es ventajoso el operar utilizando otro estándar sin tener que volver a inicializarlo, o encenderlo y apagarlo. Una reconfiguración por reinicialización es un método razonable para estaciones base, desde el punto de vista del proveedor de infraestructura. Esto dota a los operadores de redes con una flexibilidad interesante. Las uniones e intercambios de licencias entre operadores ocurren en todo el mundo y nuevas bandas de frecuencia están siendo autorizadas continuamente para aparear la creciente demanda del tráfico inalámbrico de datos. Por lo tanto, la reestructuración de la red sería facilitada, aun remotamente, desde un Centro de Operación y Mantenimiento central, sin incurrir enormes costos por enviar técnicos a la estación base.
No obstante, parece ser que la motivación real para estaciones base reconfigurables, con agilidad de frecuencia, está a favor del proveedor de infraestructura, no a favor del operador de la red. Éste es un cambio drástico de la
motivación clásica para la radio programada por software. El análisis detallado ha mostrado que el aumento en costo, debido a incluir reconfigurabilidad, es más que
compensado por los ahorros que se obtienen con un mayor nivel de concordancia. Se obtienen ahorros, por ejemplo, mediante:
• Una placa de interconecciones impresas ("printed circuit board"—PCB) para todas las bandas
• Un sólo esfuerzo de desarrollo con aumento moderado en lugar de muchos esfuerzos en paralelo
• Certificación y prueba de conformidad más rápidas
• Simplificación de la documentación
• Simplificación en la administración de la calidad. Una plataforma de prueba unificada
• Reacción extremadamente rápida a nuevas necesidades en el mercado, por ejemplo, cada vez que una nueva banda de frecuencia se abre
• Diseño seguro de nuevas bandas futuras, sin embargo, esto puede que tenga algunos límites
• Apoyo de las estrategias del operador de la red para migraciones de espectro Las ganancias logísticas especificas que pueden lograrse son:
• Un volumen mayor de componentes y PCB => reducción de precio
• La más alta flexibilidad de producción, independiente del orden
• Una base de datos para componentes más pequeña
• Un tiempo menor para establecer la línea de producción
• Reducción en el esfuerzo de diseño y desarrollo
• Unificación en el servicio en el campo y en el mantenimiento
• Reducido esfuerzo de prueba y certificación
• Simplificado esfuerzo de documentación y especificación
• Menor material en exceso => reducción en el riesgo
• Manejo común en la producción, reparación y entrega
En resumen, esto puede fácilmente conducir a ahorros del orden de varios millones de dólares para un proveedor de infraestructura. Falta abordar la cuestión
de cómo lograr ésta flexibilidad en el dominio analógico de RF. Nosotros pensamos que la tecnología RF MEMS es la respuesta a éste requisito de flexibilidad, ya que posee las propiedades únicas que la hacen perfectamente apropiada para llevar a cabo las manipulaciones en la cadena de RF, necesarias paraseleccionar diferentes bandas de frecuencia.
A un alto nivel, podemos explotar los siguientes beneficios de RF MEMS:
_ Conmutación de bajas pérdidas / alto aislamiento (el conmutador ideal)
_ Amplia habilidad de sintonización con condensadores variables
_ La separación de la senda de RF y los terminales de control es posible (similar a los relevadores)
c) Reconfiguración cada vez que se recibe una llamada Éste es el nivel de reconfiguración dinámica más alto. Sin embargo, esto requiere un esfuerzo tremendo, el cual muy probablemente no podrá ser justificado por los beneficios. Los operadores de las redes están interesados en obtener garantías de cobertura y capacidad y, por tanto, realizan una planificación muy cuidadosa de la red, y cambios a ésta son hechos raras veces para no arriesgar la estabilidad de la misma. De manera que la reconfiguración, por razones teniendo que ver con la optimización de la red, no se efectuarían muy frecuentemente. Y si se necesitara hacer una reconfiguración, un operador usualmente esperaría hasta la noche, cuando el tráfico es bajo y la pérdida del servicio menos crítica.
Para terminales, la situación es diferente, ya que es ventajoso el operar utilizando otro estándar sin tener que volver a inicializarlo, o encenderlo y apagarlo. Una reconfiguración por reinicialización es un método razonable para estaciones base, desde el punto de vista del proveedor de infraestructura. Esto dota a los operadores de redes con una flexibilidad interesante. Las uniones e intercambios de licencias entre operadores ocurren en todo el mundo y nuevas bandas de frecuencia están siendo autorizadas continuamente para aparear la creciente demanda del tráfico inalámbrico de datos. Por lo tanto, la reestructuración de la red sería facilitada, aun remotamente, desde un Centro de Operación y Mantenimiento central, sin incurrir enormes costos por enviar técnicos a la estación base.
No obstante, parece ser que la motivación real para estaciones base reconfigurables, con agilidad de frecuencia, está a favor del proveedor de infraestructura, no a favor del operador de la red. Éste es un cambio drástico de la
motivación clásica para la radio programada por software. El análisis detallado ha mostrado que el aumento en costo, debido a incluir reconfigurabilidad, es más que
compensado por los ahorros que se obtienen con un mayor nivel de concordancia. Se obtienen ahorros, por ejemplo, mediante:
• Una placa de interconecciones impresas ("printed circuit board"—PCB) para todas las bandas
• Un sólo esfuerzo de desarrollo con aumento moderado en lugar de muchos esfuerzos en paralelo
• Certificación y prueba de conformidad más rápidas
• Simplificación de la documentación
• Simplificación en la administración de la calidad. Una plataforma de prueba unificada
• Reacción extremadamente rápida a nuevas necesidades en el mercado, por ejemplo, cada vez que una nueva banda de frecuencia se abre
• Diseño seguro de nuevas bandas futuras, sin embargo, esto puede que tenga algunos límites
• Apoyo de las estrategias del operador de la red para migraciones de espectro Las ganancias logísticas especificas que pueden lograrse son:
• Un volumen mayor de componentes y PCB => reducción de precio
• La más alta flexibilidad de producción, independiente del orden
• Una base de datos para componentes más pequeña
• Un tiempo menor para establecer la línea de producción
• Reducción en el esfuerzo de diseño y desarrollo
• Unificación en el servicio en el campo y en el mantenimiento
• Reducido esfuerzo de prueba y certificación
• Simplificado esfuerzo de documentación y especificación
• Menor material en exceso => reducción en el riesgo
• Manejo común en la producción, reparación y entrega
En resumen, esto puede fácilmente conducir a ahorros del orden de varios millones de dólares para un proveedor de infraestructura. Falta abordar la cuestión
de cómo lograr ésta flexibilidad en el dominio analógico de RF. Nosotros pensamos que la tecnología RF MEMS es la respuesta a éste requisito de flexibilidad, ya que posee las propiedades únicas que la hacen perfectamente apropiada para llevar a cabo las manipulaciones en la cadena de RF, necesarias paraseleccionar diferentes bandas de frecuencia.
A un alto nivel, podemos explotar los siguientes beneficios de RF MEMS:
_ Conmutación de bajas pérdidas / alto aislamiento (el conmutador ideal)
_ Amplia habilidad de sintonización con condensadores variables
_ La separación de la senda de RF y los terminales de control es posible (similar a los relevadores)
Figura 11. Un filtro reconfigurable.
para realizar ciertas funciones RF reconfigurables, en una estación base con agilidad de frecuencia, son presentados y discutidos en más detalle. En una radio con agilidad de frecuencia, matrices de interruptores RF MEMS pueden utilizarse, por ejemplo, para conmutar filtros, según se muestra en la Fig. 11. En ésta matriz, los filtros no seleccionados son conmutados a tierra en su salida. Esto mejora la atenuación en la banda bloqueada ("stopband") ya que se provee casi un corto circuito en la entrada dentro de la banda pasada de cada filtro no seleccionado. Una realización práctica del filtro se muestra en la Fig. 12.Para la aplicación como un filtro reconfigurable, es importante tener un buen conmutador a tierra, a la
para realizar ciertas funciones RF reconfigurables, en una estación base con agilidad de frecuencia, son presentados y discutidos en más detalle. En una radio con agilidad de frecuencia, matrices de interruptores RF MEMS pueden utilizarse, por ejemplo, para conmutar filtros, según se muestra en la Fig. 11. En ésta matriz, los filtros no seleccionados son conmutados a tierra en su salida. Esto mejora la atenuación en la banda bloqueada ("stopband") ya que se provee casi un corto circuito en la entrada dentro de la banda pasada de cada filtro no seleccionado. Una realización práctica del filtro se muestra en la Fig. 12.Para la aplicación como un filtro reconfigurable, es importante tener un buen conmutador a tierra, a la
Figura 12. Un filtro reconfigurable con cuatro bandas de paso.
salida de cada filtro no seleccionado, para aprovechar la atenuación adicional, en la banda bloqueada, proveniente de los filtros no seleccionados. Aquí la pérdida,
típicamenta baja, de los interruptores RF MEMS cuando estan cerrados, es beneficiosa. La resistencia de contacto baja, característica, asegura una buena connección a tierra.
Desde la perspectiva de costo, los gastos generales, incurridos al incluir filtros, que pueden resultar no ser seleccionados si la estación base no se llegara a reconfigurar nunca a lo largo de su vida, pueden ser motivo de preocupación. Sin embargo, como la atenuación adicional en la banda bloqueada es provista por los filtros no seleccionados, los requerimientos para los filtros seleccionados se pueden relajar. Por tanto, en vez de un filtro fijo caro con un diseño clásico y sin agilidad de frecuencia, varios filtros de moderado funcionamiento y costo moderados serían suficientes para realizar agilidad de frecuencia. Por tanto, un filtro reconfigurable con 4.
salida de cada filtro no seleccionado, para aprovechar la atenuación adicional, en la banda bloqueada, proveniente de los filtros no seleccionados. Aquí la pérdida,
típicamenta baja, de los interruptores RF MEMS cuando estan cerrados, es beneficiosa. La resistencia de contacto baja, característica, asegura una buena connección a tierra.
Desde la perspectiva de costo, los gastos generales, incurridos al incluir filtros, que pueden resultar no ser seleccionados si la estación base no se llegara a reconfigurar nunca a lo largo de su vida, pueden ser motivo de preocupación. Sin embargo, como la atenuación adicional en la banda bloqueada es provista por los filtros no seleccionados, los requerimientos para los filtros seleccionados se pueden relajar. Por tanto, en vez de un filtro fijo caro con un diseño clásico y sin agilidad de frecuencia, varios filtros de moderado funcionamiento y costo moderados serían suficientes para realizar agilidad de frecuencia. Por tanto, un filtro reconfigurable con 4.
Figura 13.
Un amplificador reconfigurable. posiciones diferentes, no implicaría 4 veces el costo. Un problema adicional se vuelve evidente. No es prudente el encapsular cada filtro y la matriz de MEMS individualmente, según se muestra en la Fig. 12, ya que esto implica mayores costos de encapsulado como en los módulos que comprenden múltiples "chips" ("multi-chip modules") donde todos los filtros y la matriz de MEMS residen en un paquete. Desde luego, la técnica de encapsulado a nivel de substrato para la matriz de MEMS sería entonces aconsejable. Tal paquete compartido, también evitaría largas lineas de microcintas entre un filtro y su conmutador correspondiente. Si la línea microcintas es de un cuarto de largo de onda, entonces existe el problema de que el conmutador connectado a tierra es transformado en un circuito abierto a la salida de un filtro no seleccionado. Mediante esto se pierde la atenuación adicional de la banda bloqueada. Lo que sería aceptable es una microcinta de una mitad de largo de onda con respecto a la banda de paso de cada filtro. Pero esto implicaría líneas de longitudes diferentes entre los filtros y cada conmutador correspondiente.
Otro uso de los interruptores MEMS puede ser la reconfiguración de estructuras de apareo de impedancias con amplificadores reconfigurables de bandas múltiples, según se muestra en la Fig. 13.
En tal configuración, los interruptores MEMS deben proveer un corto circuito o un circuito abierto perfecto. Sin embargo, estudios prácticos demuestran que, mientras a nivel de CI se produce una buena alteración entre corto circuito y circuito abierto, una vez encapsulados éste comportamiento es seriamente degradado. La razón para esto es que los encapsulados típicos tienen dimensiones mucho más grandes que las del CI, de modo que existe
alguna transformación dentro del encapsulado. Esto puede conducir a un comportamiento de circuito abierto aun si el conmutador estuviera cerrado y proveyera un corto circuito a tierra. En una configuración de línea recta,
donde el conmutador es cerrado y abierto, éste tipo de efecto parásito no causa problemas y no afecta el funcionamiento en cuanto a exhibir conmutación con bajas pérdidas y alto aislamiento, pero en el contexto de estructuras reconfigurables esto es un problema serio.
Claramente, éste problema pertenece al ámbito de encapsulación de RF MEMS, no a MEMS mismo, ya que l funcionamiento a nivel de CI es superior. Para superar éste problema, uno podría también considerar un encapsulado a nivel de substrato y directamente pegar los componentes MEMS a un substrato blandito dentro del módulo del amplificador. Esto parece razonable, ya que los dispositivos activos dentro del módulo de potencia van montados directamente sin encapsulados individuales y van pegados directamente a un substrato blandito. Utilizando éste método, los efectos parásitos del encapsulado de los dispositivos activos y MEMS desaparecerían.
Además de éstos retos en el encapsulado de MEMS, debe mencionarse que la separación de las líneas de control y de RF es altamente beneficiosa, en lo tocante al conmutador MEMS en el contexto de estructuras de apareo reconfigurables, ya que puede evitarse el tener que utilizar circuitos T de polarización ("bias Tee").
Los efectos parásitos de la T de polarizacion, bajo condiciones reales, serían del mismo orden que los elementos de apareo a ser conmutados. Más aun, se puede
suponerRF MEMS para Estaciones Base
Arquitecturas de Estaciones Base
Hoy en día, el proveedor de infraestructura tiene que ofrecer una gran variedad de productos de estaciones base
Variantes de una estación base para satisfacer la mayoría de las necesidades de los operadores. Además de tener que ofrecer compatibilidad con varios estándares, tales como GSM, UMTS, CDMA, hay también varias bandas de frecuencia en las que el sistema puede operar. Más aun, hay también varios niveles / clases de potencia RF. Suponiendo que haya que ofrecer compatibilidad con 4 estándares, 11 bandas de frecuencia y 5 niveles de potencia de salida, habrían 220 productos diferentes, según se exhibe en la Figura 9.
Desde luego, una gran fracción de todas las combinaciones potenciales, o son irrelevantes para el mercado, o no están reflejadas en los estándares. Suponiendo que se descarte el 85% de las combinaciones, el 15% restante todavía implicaría 33 diferentes variantes. Desde la perspectiva de la cadena de suministro, es altamente deseable el lograr un alto nivel de concordancia entre las variantes restantes, ya que el método clásico de un producto de estación base dedicado para cada situación especifica ocasiona el que se pierdan una multitud de
efectos sinérgicos.
Examinando el resto de las variantes, se puede apreciar que las variantes más grandes se encuentran en las bandas de frecuencia. Las variantes a lo largo del eje de los estándares pueden circumscribirse a sólo dos estándares grandes para el futuro, los cuales son UMTS y CDMA, incluyendo sus evoluciones HSDPA y EVDO. Y de todos modos, UMTS y CDMA pertenecen a la misma familia de sistemas de códigos múltiples ("code multiplex systems"), con diferencias promordialmente reflejadas en el procesamiento de la banda base y diferencias que se limitan al sector de la radio. Con respecto a las clases deÇ potencia, la limitación a dos niveles podría ser aceptable también. En última instancia, esto significa que el eje de banda de frequencia ("Frequency band") es el mayor contribuyente a las variantes. Esto, a su vez, obliga a un proveedor de infraestructura a buscar tecnología que facilite una radio unificada que pueda servir múltiples bandas de frecuencia. "Servir" aqui significa que una u otra banda de frecuencia podrá seleccionarse.
No significa que habría que proveer acceso a las diferentes bandas simultáneamente. En la literatura, esto es denominado una radio reconfigurable. Reconfiguración se refiere a que las caracteristicas RF pueden redefinirse mediante programación o "software", no mediante una modificación manual o sintonización. Desde ésta perspectiva, uno diría que tal radio es una radio definida
por software, pero en el dominio analógico. Ésta es una noción más amplia del término "radio definida por
software" ("Software defined radio"—SDR) para permitir que las propiedades de las etapas procesadoras de señales sean definidas por software, no solamente en lo que respecta a lo digital sino, también, en el dominio analógico (RF)
Para distinguir la noción clásica de la tecnología de la radio definida por software, la cual se enfoca pricipalmente en la parte digital de una radio, de la nueva noción del SDR, incluyendo ahora también las etapas analógicas, una terminología adicional se está estableciendo en la literatura, a saber, la de "radio de frecuencia ágil" o "radio reconfigurable". Agilidad de frecuencia se refiere a la capacidad de la radio para operar en múltiples bandas, mientras que SDR en el pasado contemplaba únicamente la capacidad para operar en múltiples estándares. De manera que la capacidad de múltiples bandas está reflejada en la radio y la capacidad para estándares múltiples está primordialmente reflejada en el sector que procesa la banda base. La capacidad de potencia de salida está entonces definida por el tamaño del amplificador de potencia.
En el contexto de una estación base, es muy deseable el que no sólo la radio, sino también otras etapas RF ofrezcan agilidad de frecuencia. Esto significa que también el amplificador de potencia y los filtros, como los duplexores, deben poseer agilidad de frecuencia o, en otras palabras, deben ser reconfigurables La Figura 10 muestra el concepto de la estación base con
agilidad de frecuencia.
Si todas las etapas relacionadas a la RF fueran reconfigurables por software, entonces también la reconfiguración remota de la banda de frecuencia de operación de una estación base sería factible. En el caso de estaciones base, se evitaría el visitarla para efectuar la reconfiguración, ya que esto implica enormes costos y largos periodos en los que la estación base estaría fuera de servicio.
Varios niveles de reconfiguración pueden imaginarse:
a) Reconfiguración al enviarse al campo. Esto significa que al momento de enviar una estación base ésta se configure para operar en una banda de frecuencia y que no es posible hacer reconfiguraciones futuras. Esto sería compatible con quemar una matriz de fusibles con un convertidor de calibración. De modo que esto es equivalente a reconfiguración una sola vez.
b) Reconfiguración mediante la reinicialización ("reboot") Esto significa que una estación base tiene que ser reinicializada para activar su operación en otra banda de frecuencia. Tal reinicialización puede efectuarse muchas veces. Sin embargo, una reinicialización implica irse fuera de servicio y puede tomar un periodo de tiempo.
Un amplificador reconfigurable. posiciones diferentes, no implicaría 4 veces el costo. Un problema adicional se vuelve evidente. No es prudente el encapsular cada filtro y la matriz de MEMS individualmente, según se muestra en la Fig. 12, ya que esto implica mayores costos de encapsulado como en los módulos que comprenden múltiples "chips" ("multi-chip modules") donde todos los filtros y la matriz de MEMS residen en un paquete. Desde luego, la técnica de encapsulado a nivel de substrato para la matriz de MEMS sería entonces aconsejable. Tal paquete compartido, también evitaría largas lineas de microcintas entre un filtro y su conmutador correspondiente. Si la línea microcintas es de un cuarto de largo de onda, entonces existe el problema de que el conmutador connectado a tierra es transformado en un circuito abierto a la salida de un filtro no seleccionado. Mediante esto se pierde la atenuación adicional de la banda bloqueada. Lo que sería aceptable es una microcinta de una mitad de largo de onda con respecto a la banda de paso de cada filtro. Pero esto implicaría líneas de longitudes diferentes entre los filtros y cada conmutador correspondiente.
Otro uso de los interruptores MEMS puede ser la reconfiguración de estructuras de apareo de impedancias con amplificadores reconfigurables de bandas múltiples, según se muestra en la Fig. 13.
En tal configuración, los interruptores MEMS deben proveer un corto circuito o un circuito abierto perfecto. Sin embargo, estudios prácticos demuestran que, mientras a nivel de CI se produce una buena alteración entre corto circuito y circuito abierto, una vez encapsulados éste comportamiento es seriamente degradado. La razón para esto es que los encapsulados típicos tienen dimensiones mucho más grandes que las del CI, de modo que existe
alguna transformación dentro del encapsulado. Esto puede conducir a un comportamiento de circuito abierto aun si el conmutador estuviera cerrado y proveyera un corto circuito a tierra. En una configuración de línea recta,
donde el conmutador es cerrado y abierto, éste tipo de efecto parásito no causa problemas y no afecta el funcionamiento en cuanto a exhibir conmutación con bajas pérdidas y alto aislamiento, pero en el contexto de estructuras reconfigurables esto es un problema serio.
Claramente, éste problema pertenece al ámbito de encapsulación de RF MEMS, no a MEMS mismo, ya que l funcionamiento a nivel de CI es superior. Para superar éste problema, uno podría también considerar un encapsulado a nivel de substrato y directamente pegar los componentes MEMS a un substrato blandito dentro del módulo del amplificador. Esto parece razonable, ya que los dispositivos activos dentro del módulo de potencia van montados directamente sin encapsulados individuales y van pegados directamente a un substrato blandito. Utilizando éste método, los efectos parásitos del encapsulado de los dispositivos activos y MEMS desaparecerían.
Además de éstos retos en el encapsulado de MEMS, debe mencionarse que la separación de las líneas de control y de RF es altamente beneficiosa, en lo tocante al conmutador MEMS en el contexto de estructuras de apareo reconfigurables, ya que puede evitarse el tener que utilizar circuitos T de polarización ("bias Tee").
Los efectos parásitos de la T de polarizacion, bajo condiciones reales, serían del mismo orden que los elementos de apareo a ser conmutados. Más aun, se puede
suponerRF MEMS para Estaciones Base
Arquitecturas de Estaciones Base
Hoy en día, el proveedor de infraestructura tiene que ofrecer una gran variedad de productos de estaciones base
Variantes de una estación base para satisfacer la mayoría de las necesidades de los operadores. Además de tener que ofrecer compatibilidad con varios estándares, tales como GSM, UMTS, CDMA, hay también varias bandas de frecuencia en las que el sistema puede operar. Más aun, hay también varios niveles / clases de potencia RF. Suponiendo que haya que ofrecer compatibilidad con 4 estándares, 11 bandas de frecuencia y 5 niveles de potencia de salida, habrían 220 productos diferentes, según se exhibe en la Figura 9.
Desde luego, una gran fracción de todas las combinaciones potenciales, o son irrelevantes para el mercado, o no están reflejadas en los estándares. Suponiendo que se descarte el 85% de las combinaciones, el 15% restante todavía implicaría 33 diferentes variantes. Desde la perspectiva de la cadena de suministro, es altamente deseable el lograr un alto nivel de concordancia entre las variantes restantes, ya que el método clásico de un producto de estación base dedicado para cada situación especifica ocasiona el que se pierdan una multitud de
efectos sinérgicos.
Examinando el resto de las variantes, se puede apreciar que las variantes más grandes se encuentran en las bandas de frecuencia. Las variantes a lo largo del eje de los estándares pueden circumscribirse a sólo dos estándares grandes para el futuro, los cuales son UMTS y CDMA, incluyendo sus evoluciones HSDPA y EVDO. Y de todos modos, UMTS y CDMA pertenecen a la misma familia de sistemas de códigos múltiples ("code multiplex systems"), con diferencias promordialmente reflejadas en el procesamiento de la banda base y diferencias que se limitan al sector de la radio. Con respecto a las clases deÇ potencia, la limitación a dos niveles podría ser aceptable también. En última instancia, esto significa que el eje de banda de frequencia ("Frequency band") es el mayor contribuyente a las variantes. Esto, a su vez, obliga a un proveedor de infraestructura a buscar tecnología que facilite una radio unificada que pueda servir múltiples bandas de frecuencia. "Servir" aqui significa que una u otra banda de frecuencia podrá seleccionarse.
No significa que habría que proveer acceso a las diferentes bandas simultáneamente. En la literatura, esto es denominado una radio reconfigurable. Reconfiguración se refiere a que las caracteristicas RF pueden redefinirse mediante programación o "software", no mediante una modificación manual o sintonización. Desde ésta perspectiva, uno diría que tal radio es una radio definida
por software, pero en el dominio analógico. Ésta es una noción más amplia del término "radio definida por
software" ("Software defined radio"—SDR) para permitir que las propiedades de las etapas procesadoras de señales sean definidas por software, no solamente en lo que respecta a lo digital sino, también, en el dominio analógico (RF)
Para distinguir la noción clásica de la tecnología de la radio definida por software, la cual se enfoca pricipalmente en la parte digital de una radio, de la nueva noción del SDR, incluyendo ahora también las etapas analógicas, una terminología adicional se está estableciendo en la literatura, a saber, la de "radio de frecuencia ágil" o "radio reconfigurable". Agilidad de frecuencia se refiere a la capacidad de la radio para operar en múltiples bandas, mientras que SDR en el pasado contemplaba únicamente la capacidad para operar en múltiples estándares. De manera que la capacidad de múltiples bandas está reflejada en la radio y la capacidad para estándares múltiples está primordialmente reflejada en el sector que procesa la banda base. La capacidad de potencia de salida está entonces definida por el tamaño del amplificador de potencia.
En el contexto de una estación base, es muy deseable el que no sólo la radio, sino también otras etapas RF ofrezcan agilidad de frecuencia. Esto significa que también el amplificador de potencia y los filtros, como los duplexores, deben poseer agilidad de frecuencia o, en otras palabras, deben ser reconfigurables La Figura 10 muestra el concepto de la estación base con
agilidad de frecuencia.
Si todas las etapas relacionadas a la RF fueran reconfigurables por software, entonces también la reconfiguración remota de la banda de frecuencia de operación de una estación base sería factible. En el caso de estaciones base, se evitaría el visitarla para efectuar la reconfiguración, ya que esto implica enormes costos y largos periodos en los que la estación base estaría fuera de servicio.
Varios niveles de reconfiguración pueden imaginarse:
a) Reconfiguración al enviarse al campo. Esto significa que al momento de enviar una estación base ésta se configure para operar en una banda de frecuencia y que no es posible hacer reconfiguraciones futuras. Esto sería compatible con quemar una matriz de fusibles con un convertidor de calibración. De modo que esto es equivalente a reconfiguración una sola vez.
b) Reconfiguración mediante la reinicialización ("reboot") Esto significa que una estación base tiene que ser reinicializada para activar su operación en otra banda de frecuencia. Tal reinicialización puede efectuarse muchas veces. Sin embargo, una reinicialización implica irse fuera de servicio y puede tomar un periodo de tiempo.
Figura 10. Arquitectura de una estación base con agilidad de frecuencia.
c) Reconfiguración cada vez que se recibe una llamada Éste es el nivel de reconfiguración dinámica más alto. Sin embargo, esto requiere un esfuerzo tremendo, el cual muy probablemente no podrá ser justificado por los beneficios. Los operadores de las redes están interesados en obtener garantías de cobertura y capacidad y, por tanto, realizan una planificación muy cuidadosa de la red, y cambios a ésta son hechos raras veces para no arriesgar la estabilidad de la misma. De manera que la reconfiguración, por razones teniendo que ver con la optimización de la red, no se efectuarían muy frecuentemente. Y si se necesitara hacer una reconfiguración, un operador usualmente esperaría hasta la noche, cuando el tráfico es bajo y la pérdida del servicio menos crítica.
Para terminales, la situación es diferente, ya que es ventajoso el operar utilizando otro estándar sin tener que volver a inicializarlo, o encenderlo y apagarlo. Una reconfiguración por reinicialización es un método razonable para estaciones base, desde el punto de vista del proveedor de infraestructura. Esto dota a los operadores de redes con una flexibilidad interesante. Las uniones e intercambios de licencias entre operadores ocurren en todo el mundo y nuevas bandas de frecuencia están siendo autorizadas continuamente para aparear la creciente demanda del tráfico inalámbrico de datos. Por lo tanto, la reestructuración de la red sería facilitada, aun remotamente, desde un Centro de Operación y Mantenimiento central, sin incurrir enormes costos por enviar técnicos a la estación base.
No obstante, parece ser que la motivación real para estaciones base reconfigurables, con agilidad de frecuencia, está a favor del proveedor de infraestructura, no a favor del operador de la red. Éste es un cambio drástico de la
motivación clásica para la radio programada por software. El análisis detallado ha mostrado que el aumento en costo, debido a incluir reconfigurabilidad, es más que
compensado por los ahorros que se obtienen con un mayor nivel de concordancia. Se obtienen ahorros, por ejemplo, mediante:
• Una placa de interconecciones impresas ("printed circuit board"—PCB) para todas las bandas
• Un sólo esfuerzo de desarrollo con aumento moderado en lugar de muchos esfuerzos en paralelo
• Certificación y prueba de conformidad más rápidas
• Simplificación de la documentación
• Simplificación en la administración de la calidad. Una plataforma de prueba unificada
• Reacción extremadamente rápida a nuevas necesidades en el mercado, por ejemplo, cada vez que una nueva banda de frecuencia se abre
• Diseño seguro de nuevas bandas futuras, sin embargo, esto puede que tenga algunos límites
• Apoyo de las estrategias del operador de la red para migraciones de espectro Las ganancias logísticas especificas que pueden lograrse son:
• Un volumen mayor de componentes y PCB => reducción de precio
• La más alta flexibilidad de producción, independiente del orden
• Una base de datos para componentes más pequeña
• Un tiempo menor para establecer la línea de producción
• Reducción en el esfuerzo de diseño y desarrollo
• Unificación en el servicio en el campo y en el mantenimiento
• Reducido esfuerzo de prueba y certificación
• Simplificado esfuerzo de documentación y especificación
• Menor material en exceso => reducción en el riesgo
• Manejo común en la producción, reparación y entrega
En resumen, esto puede fácilmente conducir a ahorros del orden de varios millones de dólares para un proveedor de infraestructura. Falta abordar la cuestión
de cómo lograr ésta flexibilidad en el dominio analógico de RF. Nosotros pensamos que la tecnología RF MEMS es la respuesta a éste requisito de flexibilidad, ya que posee las propiedades únicas que la hacen perfectamente apropiada para llevar a cabo las manipulaciones en la cadena de RF, necesarias paraseleccionar diferentes bandas de frecuencia.
A un alto nivel, podemos explotar los siguientes beneficios de RF MEMS:
_ Conmutación de bajas pérdidas / alto aislamiento (el conmutador ideal)
_ Amplia habilidad de sintonización con condensadores variables
_ La separación de la senda de RF y los terminales de control es posible (similar a los relevadores)
c) Reconfiguración cada vez que se recibe una llamada Éste es el nivel de reconfiguración dinámica más alto. Sin embargo, esto requiere un esfuerzo tremendo, el cual muy probablemente no podrá ser justificado por los beneficios. Los operadores de las redes están interesados en obtener garantías de cobertura y capacidad y, por tanto, realizan una planificación muy cuidadosa de la red, y cambios a ésta son hechos raras veces para no arriesgar la estabilidad de la misma. De manera que la reconfiguración, por razones teniendo que ver con la optimización de la red, no se efectuarían muy frecuentemente. Y si se necesitara hacer una reconfiguración, un operador usualmente esperaría hasta la noche, cuando el tráfico es bajo y la pérdida del servicio menos crítica.
Para terminales, la situación es diferente, ya que es ventajoso el operar utilizando otro estándar sin tener que volver a inicializarlo, o encenderlo y apagarlo. Una reconfiguración por reinicialización es un método razonable para estaciones base, desde el punto de vista del proveedor de infraestructura. Esto dota a los operadores de redes con una flexibilidad interesante. Las uniones e intercambios de licencias entre operadores ocurren en todo el mundo y nuevas bandas de frecuencia están siendo autorizadas continuamente para aparear la creciente demanda del tráfico inalámbrico de datos. Por lo tanto, la reestructuración de la red sería facilitada, aun remotamente, desde un Centro de Operación y Mantenimiento central, sin incurrir enormes costos por enviar técnicos a la estación base.
No obstante, parece ser que la motivación real para estaciones base reconfigurables, con agilidad de frecuencia, está a favor del proveedor de infraestructura, no a favor del operador de la red. Éste es un cambio drástico de la
motivación clásica para la radio programada por software. El análisis detallado ha mostrado que el aumento en costo, debido a incluir reconfigurabilidad, es más que
compensado por los ahorros que se obtienen con un mayor nivel de concordancia. Se obtienen ahorros, por ejemplo, mediante:
• Una placa de interconecciones impresas ("printed circuit board"—PCB) para todas las bandas
• Un sólo esfuerzo de desarrollo con aumento moderado en lugar de muchos esfuerzos en paralelo
• Certificación y prueba de conformidad más rápidas
• Simplificación de la documentación
• Simplificación en la administración de la calidad. Una plataforma de prueba unificada
• Reacción extremadamente rápida a nuevas necesidades en el mercado, por ejemplo, cada vez que una nueva banda de frecuencia se abre
• Diseño seguro de nuevas bandas futuras, sin embargo, esto puede que tenga algunos límites
• Apoyo de las estrategias del operador de la red para migraciones de espectro Las ganancias logísticas especificas que pueden lograrse son:
• Un volumen mayor de componentes y PCB => reducción de precio
• La más alta flexibilidad de producción, independiente del orden
• Una base de datos para componentes más pequeña
• Un tiempo menor para establecer la línea de producción
• Reducción en el esfuerzo de diseño y desarrollo
• Unificación en el servicio en el campo y en el mantenimiento
• Reducido esfuerzo de prueba y certificación
• Simplificado esfuerzo de documentación y especificación
• Menor material en exceso => reducción en el riesgo
• Manejo común en la producción, reparación y entrega
En resumen, esto puede fácilmente conducir a ahorros del orden de varios millones de dólares para un proveedor de infraestructura. Falta abordar la cuestión
de cómo lograr ésta flexibilidad en el dominio analógico de RF. Nosotros pensamos que la tecnología RF MEMS es la respuesta a éste requisito de flexibilidad, ya que posee las propiedades únicas que la hacen perfectamente apropiada para llevar a cabo las manipulaciones en la cadena de RF, necesarias paraseleccionar diferentes bandas de frecuencia.
A un alto nivel, podemos explotar los siguientes beneficios de RF MEMS:
_ Conmutación de bajas pérdidas / alto aislamiento (el conmutador ideal)
_ Amplia habilidad de sintonización con condensadores variables
_ La separación de la senda de RF y los terminales de control es posible (similar a los relevadores)
Figura 11. Un filtro reconfigurable.
para realizar ciertas funciones RF reconfigurables, en una estación base con agilidad de frecuencia, son presentados y discutidos en más detalle. En una radio con agilidad de frecuencia, matrices de interruptores RF MEMS pueden utilizarse, por ejemplo, para conmutar filtros, según se muestra en la Fig. 11. En ésta matriz, los filtros no seleccionados son conmutados a tierra en su salida. Esto mejora la atenuación en la banda bloqueada ("stopband") ya que se provee casi un corto circuito en la entrada dentro de la banda pasada de cada filtro no seleccionado. Una realización práctica del filtro se muestra en la Fig. 12.Para la aplicación como un filtro reconfigurable, es importante tener un buen conmutador a tierra, a la
para realizar ciertas funciones RF reconfigurables, en una estación base con agilidad de frecuencia, son presentados y discutidos en más detalle. En una radio con agilidad de frecuencia, matrices de interruptores RF MEMS pueden utilizarse, por ejemplo, para conmutar filtros, según se muestra en la Fig. 11. En ésta matriz, los filtros no seleccionados son conmutados a tierra en su salida. Esto mejora la atenuación en la banda bloqueada ("stopband") ya que se provee casi un corto circuito en la entrada dentro de la banda pasada de cada filtro no seleccionado. Una realización práctica del filtro se muestra en la Fig. 12.Para la aplicación como un filtro reconfigurable, es importante tener un buen conmutador a tierra, a la
Figura 12. Un filtro reconfigurable con cuatro bandas de paso.
salida de cada filtro no seleccionado, para aprovechar la atenuación adicional, en la banda bloqueada, proveniente de los filtros no seleccionados. Aquí la pérdida,
típicamenta baja, de los interruptores RF MEMS cuando estan cerrados, es beneficiosa. La resistencia de contacto baja, característica, asegura una buena connección a tierra.
Desde la perspectiva de costo, los gastos generales, incurridos al incluir filtros, que pueden resultar no ser seleccionados si la estación base no se llegara a reconfigurar nunca a lo largo de su vida, pueden ser motivo de preocupación. Sin embargo, como la atenuación adicional en la banda bloqueada es provista por los filtros no seleccionados, los requerimientos para los filtros seleccionados se pueden relajar. Por tanto, en vez de un filtro fijo caro con un diseño clásico y sin agilidad de frecuencia, varios filtros de moderado funcionamiento y costo moderados serían suficientes para realizar agilidad de frecuencia. Por tanto, un filtro reconfigurable con 4.
salida de cada filtro no seleccionado, para aprovechar la atenuación adicional, en la banda bloqueada, proveniente de los filtros no seleccionados. Aquí la pérdida,
típicamenta baja, de los interruptores RF MEMS cuando estan cerrados, es beneficiosa. La resistencia de contacto baja, característica, asegura una buena connección a tierra.
Desde la perspectiva de costo, los gastos generales, incurridos al incluir filtros, que pueden resultar no ser seleccionados si la estación base no se llegara a reconfigurar nunca a lo largo de su vida, pueden ser motivo de preocupación. Sin embargo, como la atenuación adicional en la banda bloqueada es provista por los filtros no seleccionados, los requerimientos para los filtros seleccionados se pueden relajar. Por tanto, en vez de un filtro fijo caro con un diseño clásico y sin agilidad de frecuencia, varios filtros de moderado funcionamiento y costo moderados serían suficientes para realizar agilidad de frecuencia. Por tanto, un filtro reconfigurable con 4.
Figura 13.Un amplificador reconfigurable. posiciones diferentes, no implicaría 4 veces el costo. Un problema adicional se vuelve evidente. No es prudente el encapsular cada filtro y la matriz de MEMS individualmente, según se muestra en la Fig. 12, ya que esto implica mayores costos de encapsulado como en los módulos que comprenden múltiples "chips" ("multi-chip modules") donde todos los filtros y la matriz de MEMS residen en un paquete. Desde luego, la técnica de encapsulado a nivel de substrato para la matriz de MEMS sería entonces aconsejable. Tal paquete compartido, también evitaría largas lineas de microcintas entre un filtro y su conmutador correspondiente. Si la línea microcintas es de un cuarto de largo de onda, entonces existe el problema de que el conmutador connectado a tierra es transformado en un circuito abierto a la salida de un filtro no seleccionado. Mediante esto se pierde la atenuación adicional de la banda bloqueada. Lo que sería aceptable es una microcinta de una mitad de largo de onda con respecto a la banda de paso de cada filtro. Pero esto implicaría líneas de longitudes diferentes entre los filtros y cada conmutador correspondiente.
Otro uso de los interruptores MEMS puede ser la reconfiguración de estructuras de apareo de impedancias con amplificadores reconfigurables de bandas múltiples, según se muestra en la Fig. 13.
En tal configuración, los interruptores MEMS deben proveer un corto circuito o un circuito abierto perfecto. Sin embargo, estudios prácticos demuestran que, mientras a nivel de CI se produce una buena alteración entre corto circuito y circuito abierto, una vez encapsulados éste comportamiento es seriamente degradado. La razón para esto es que los encapsulados típicos tienen dimensiones mucho más grandes que las del CI, de modo que existe
alguna transformación dentro del encapsulado. Esto puede conducir a un comportamiento de circuito abierto aun si el conmutador estuviera cerrado y proveyera un corto circuito a tierra. En una configuración de línea recta,
donde el conmutador es cerrado y abierto, éste tipo de efecto parásito no causa problemas y no afecta el funcionamiento en cuanto a exhibir conmutación con bajas pérdidas y alto aislamiento, pero en el contexto de estructuras reconfigurables esto es un problema serio.
Claramente, éste problema pertenece al ámbito de encapsulación de RF MEMS, no a MEMS mismo, ya que l funcionamiento a nivel de CI es superior. Para superar éste problema, uno podría también considerar un encapsulado a nivel de substrato y directamente pegar los componentes MEMS a un substrato blandito dentro del módulo del amplificador. Esto parece razonable, ya que los dispositivos activos dentro del módulo de potencia van montados directamente sin encapsulados individuales y van pegados directamente a un substrato blandito. Utilizando éste método, los efectos parásitos del encapsulado de los dispositivos activos y MEMS desaparecerían.
Además de éstos retos en el encapsulado de MEMS, debe mencionarse que la separación de las líneas de control y de RF es altamente beneficiosa, en lo tocante al conmutador MEMS en el contexto de estructuras de apareo reconfigurables, ya que puede evitarse el tener que utilizar circuitos T de polarización ("bias Tee").
Los efectos parásitos de la T de polarizacion, bajo condiciones reales, serían del mismo orden que los elementos de apareo a ser conmutados. Más aun, se puede
suponer que se necesitan al menos dos interruptores en la entrada y salida de cada banda de frecuencia. Si el amplificador reconfigurable tiene que proveer servicio a 4 bandas, esto implicaría 16 interruptores. Si también 16 circuitos de polarizacion fueran necesarios, el diseño sería realmente complicado y los efectos parásitos de éstos serían dificiles de controlar. Otro desafío es la capacidad de manejo de potencia de
los dispositivos MEMS
Debido a corrientes circulantes enlos circuitos de apareamiento, las corrientes de RF pueden fácilmente elevarse a 1 o 2 A. Desde luego, la topología de apareamiento es un factor clave que define las corrientes máximas a través de los interruptores MEMS. Parece ser que los voltajes altos, a través de un conmutador con transformación de impedancia, son más fáciles de manejar que las corrientes de RF altas. Los interruptores RF MEMS de hoy en día sostienen alrededor de 1 a 5W, lo cual corresponde a un manejo de corriente máxima del orden de varios cientos de mA. Algún esfuerzo debe dedicarse a aumentar el manejo de corriente. Quizás otros mecanismos de activación, como piezoeléctrico o magnético, deberían preferirse ya que se podrían realizar fuerzas de contacto más grandes. Mayores fuerzas de contacto deberían resultar en menor resistencia de contacto, lo cual conduciría entonces a un mayor manejo de corriente o potencia de RF.
En el contexto de las estaciones base, el número de ciclos de conmutación es de menos relevancia ya que la reconfiguracion ocurre muy raras veces. La habilidad de reconfigurar la estación base es una inversión protegida por los operadores de la red, sin embargo, podría suceder que una estación base sea configurada una vez, al momento de envío, y nunca más sea reconfigurada durante su vida. Normalmente suponemos que habrán dos reconfiguraciones por año, lo cual significaría 30 ciclos, suponiendo un vida de 15 años. De modo que 102 ciclos deberían ser suficientes. Sin embargo, aun si se supone que la reconfiguración es efectuada más a menudo, teniendo en cuenta la variación de tráfico durante el día, digamos 4 conmutaciones por día, entonces esto resultaría en 105 ciclos (4 reconfiguraciones por día x 365 días x 15 días). Tal número podría ser fácilmente satisfecho por los interruptores MEMS de hoy en día. Para comparar, un conmutador TX/RX en un microteléfono GSM requeriría de 1010 a 1011 ciclos.
Podría concluirse, por lo tanto, que para propósitos de reconfiguración, el número de ciclos de conmutación para aplicaciones de estaciones base es un parámetro menos crítico. Más aun, el voltaje de activación o la potencia de activación es menos crítica en las estaciones base ya que éstas tienen un suministro de potencia de la distribución de la planta eléctrica, y el ahorro en batería es un problema minúsculo comparado con los microteléfonos. Como se dijo previamente, la reconfiguración de una estación base ocurre raras veces y requeriría probablemente una sola reinicialización, de modo que el tiempo de conmutación no tiene relevancia. que se necesitan al menos dos interruptores en la entrada y salida de cada banda de frecuencia. Si el amplificador reconfigurable tiene que proveer servicio a 4 bandas, esto implicaría 16 interruptores. Si también 16 circuitos de polarizacion fueran necesarios, el diseño sería realmente complicado y los efectos parásitos de éstos serían dificiles de controlar. Otro desafío es la capacidad de manejo de potencia de
los dispositivos MEMS
Debido a corrientes circulantes enlos circuitos de apareamiento, las corrientes de RF pueden fácilmente elevarse a 1 o 2 A. Desde luego, la topología de apareamiento es un factor clave que define las corrientes máximas a través de los interruptores MEMS. Parece ser que los voltajes altos, a través de un conmutador con transformación de impedancia, son más fáciles de manejar que las corrientes de RF altas. Los interruptores RF MEMS de hoy en día sostienen alrededor de 1 a 5W, lo cual corresponde a un manejo de corriente máxima del orden de varios cientos de mA. Algún esfuerzo debe dedicarse a aumentar el manejo de corriente. Quizás otros mecanismos de activación, como piezoeléctrico o magnético, deberían preferirse ya que se podrían realizar fuerzas de contacto más grandes. Mayores fuerzas de contacto deberían resultar en menor resistencia de contacto, lo cual conduciría entonces a un mayor manejo de corriente o potencia de RF.
En el contexto de las estaciones base, el número de ciclos de conmutación es de menos relevancia ya que la reconfiguracion ocurre muy raras veces. La habilidad de reconfigurar la estación base es una inversión protegida por los operadores de la red, sin embargo, podría suceder que una estación base sea configurada una vez, al momento de envío, y nunca más sea reconfigurada durante su vida. Normalmente suponemos que habrán dos reconfiguraciones por año, lo cual significaría 30 ciclos, suponiendo un vida de 15 años. De modo que 102 ciclos deberían ser suficientes. Sin embargo, aun si se supone que la reconfiguración es efectuada más a menudo, teniendo en cuenta la variación de tráfico durante el día, digamos 4 conmutaciones por día, entonces esto resultaría en 105 ciclos (4 reconfiguraciones por día x 365 días x 15 días). Tal número podría ser fácilmente satisfecho por los interruptores MEMS de hoy en día. Para comparar, un conmutador TX/RX en un microteléfono GSM requeriría de 1010 a 1011 ciclos.
Podría concluirse, por lo tanto, que para propósitos de reconfiguración, el número de ciclos de conmutación para aplicaciones de estaciones base es un parámetro menos crítico. Más aun, el voltaje de activación o la potencia de activación es menos crítica en las estaciones base ya que éstas tienen un suministro de potencia de la distribución de la planta eléctrica, y el ahorro en batería es un problema minúsculo comparado con los microteléfonos. Como se dijo previamente, la reconfiguración de una estación base ocurre raras veces y requeriría probablemente una sola reinicialización, de modo que el tiempo de conmutación no tiene relevancia.
Otro uso de los interruptores MEMS puede ser la reconfiguración de estructuras de apareo de impedancias con amplificadores reconfigurables de bandas múltiples, según se muestra en la Fig. 13.
En tal configuración, los interruptores MEMS deben proveer un corto circuito o un circuito abierto perfecto. Sin embargo, estudios prácticos demuestran que, mientras a nivel de CI se produce una buena alteración entre corto circuito y circuito abierto, una vez encapsulados éste comportamiento es seriamente degradado. La razón para esto es que los encapsulados típicos tienen dimensiones mucho más grandes que las del CI, de modo que existe
alguna transformación dentro del encapsulado. Esto puede conducir a un comportamiento de circuito abierto aun si el conmutador estuviera cerrado y proveyera un corto circuito a tierra. En una configuración de línea recta,
donde el conmutador es cerrado y abierto, éste tipo de efecto parásito no causa problemas y no afecta el funcionamiento en cuanto a exhibir conmutación con bajas pérdidas y alto aislamiento, pero en el contexto de estructuras reconfigurables esto es un problema serio.
Claramente, éste problema pertenece al ámbito de encapsulación de RF MEMS, no a MEMS mismo, ya que l funcionamiento a nivel de CI es superior. Para superar éste problema, uno podría también considerar un encapsulado a nivel de substrato y directamente pegar los componentes MEMS a un substrato blandito dentro del módulo del amplificador. Esto parece razonable, ya que los dispositivos activos dentro del módulo de potencia van montados directamente sin encapsulados individuales y van pegados directamente a un substrato blandito. Utilizando éste método, los efectos parásitos del encapsulado de los dispositivos activos y MEMS desaparecerían.
Además de éstos retos en el encapsulado de MEMS, debe mencionarse que la separación de las líneas de control y de RF es altamente beneficiosa, en lo tocante al conmutador MEMS en el contexto de estructuras de apareo reconfigurables, ya que puede evitarse el tener que utilizar circuitos T de polarización ("bias Tee").
Los efectos parásitos de la T de polarizacion, bajo condiciones reales, serían del mismo orden que los elementos de apareo a ser conmutados. Más aun, se puede
suponer que se necesitan al menos dos interruptores en la entrada y salida de cada banda de frecuencia. Si el amplificador reconfigurable tiene que proveer servicio a 4 bandas, esto implicaría 16 interruptores. Si también 16 circuitos de polarizacion fueran necesarios, el diseño sería realmente complicado y los efectos parásitos de éstos serían dificiles de controlar. Otro desafío es la capacidad de manejo de potencia de
los dispositivos MEMS
Debido a corrientes circulantes enlos circuitos de apareamiento, las corrientes de RF pueden fácilmente elevarse a 1 o 2 A. Desde luego, la topología de apareamiento es un factor clave que define las corrientes máximas a través de los interruptores MEMS. Parece ser que los voltajes altos, a través de un conmutador con transformación de impedancia, son más fáciles de manejar que las corrientes de RF altas. Los interruptores RF MEMS de hoy en día sostienen alrededor de 1 a 5W, lo cual corresponde a un manejo de corriente máxima del orden de varios cientos de mA. Algún esfuerzo debe dedicarse a aumentar el manejo de corriente. Quizás otros mecanismos de activación, como piezoeléctrico o magnético, deberían preferirse ya que se podrían realizar fuerzas de contacto más grandes. Mayores fuerzas de contacto deberían resultar en menor resistencia de contacto, lo cual conduciría entonces a un mayor manejo de corriente o potencia de RF.
En el contexto de las estaciones base, el número de ciclos de conmutación es de menos relevancia ya que la reconfiguracion ocurre muy raras veces. La habilidad de reconfigurar la estación base es una inversión protegida por los operadores de la red, sin embargo, podría suceder que una estación base sea configurada una vez, al momento de envío, y nunca más sea reconfigurada durante su vida. Normalmente suponemos que habrán dos reconfiguraciones por año, lo cual significaría 30 ciclos, suponiendo un vida de 15 años. De modo que 102 ciclos deberían ser suficientes. Sin embargo, aun si se supone que la reconfiguración es efectuada más a menudo, teniendo en cuenta la variación de tráfico durante el día, digamos 4 conmutaciones por día, entonces esto resultaría en 105 ciclos (4 reconfiguraciones por día x 365 días x 15 días). Tal número podría ser fácilmente satisfecho por los interruptores MEMS de hoy en día. Para comparar, un conmutador TX/RX en un microteléfono GSM requeriría de 1010 a 1011 ciclos.
Podría concluirse, por lo tanto, que para propósitos de reconfiguración, el número de ciclos de conmutación para aplicaciones de estaciones base es un parámetro menos crítico. Más aun, el voltaje de activación o la potencia de activación es menos crítica en las estaciones base ya que éstas tienen un suministro de potencia de la distribución de la planta eléctrica, y el ahorro en batería es un problema minúsculo comparado con los microteléfonos. Como se dijo previamente, la reconfiguración de una estación base ocurre raras veces y requeriría probablemente una sola reinicialización, de modo que el tiempo de conmutación no tiene relevancia. que se necesitan al menos dos interruptores en la entrada y salida de cada banda de frecuencia. Si el amplificador reconfigurable tiene que proveer servicio a 4 bandas, esto implicaría 16 interruptores. Si también 16 circuitos de polarizacion fueran necesarios, el diseño sería realmente complicado y los efectos parásitos de éstos serían dificiles de controlar. Otro desafío es la capacidad de manejo de potencia de
los dispositivos MEMS
Debido a corrientes circulantes enlos circuitos de apareamiento, las corrientes de RF pueden fácilmente elevarse a 1 o 2 A. Desde luego, la topología de apareamiento es un factor clave que define las corrientes máximas a través de los interruptores MEMS. Parece ser que los voltajes altos, a través de un conmutador con transformación de impedancia, son más fáciles de manejar que las corrientes de RF altas. Los interruptores RF MEMS de hoy en día sostienen alrededor de 1 a 5W, lo cual corresponde a un manejo de corriente máxima del orden de varios cientos de mA. Algún esfuerzo debe dedicarse a aumentar el manejo de corriente. Quizás otros mecanismos de activación, como piezoeléctrico o magnético, deberían preferirse ya que se podrían realizar fuerzas de contacto más grandes. Mayores fuerzas de contacto deberían resultar en menor resistencia de contacto, lo cual conduciría entonces a un mayor manejo de corriente o potencia de RF.
En el contexto de las estaciones base, el número de ciclos de conmutación es de menos relevancia ya que la reconfiguracion ocurre muy raras veces. La habilidad de reconfigurar la estación base es una inversión protegida por los operadores de la red, sin embargo, podría suceder que una estación base sea configurada una vez, al momento de envío, y nunca más sea reconfigurada durante su vida. Normalmente suponemos que habrán dos reconfiguraciones por año, lo cual significaría 30 ciclos, suponiendo un vida de 15 años. De modo que 102 ciclos deberían ser suficientes. Sin embargo, aun si se supone que la reconfiguración es efectuada más a menudo, teniendo en cuenta la variación de tráfico durante el día, digamos 4 conmutaciones por día, entonces esto resultaría en 105 ciclos (4 reconfiguraciones por día x 365 días x 15 días). Tal número podría ser fácilmente satisfecho por los interruptores MEMS de hoy en día. Para comparar, un conmutador TX/RX en un microteléfono GSM requeriría de 1010 a 1011 ciclos.
Podría concluirse, por lo tanto, que para propósitos de reconfiguración, el número de ciclos de conmutación para aplicaciones de estaciones base es un parámetro menos crítico. Más aun, el voltaje de activación o la potencia de activación es menos crítica en las estaciones base ya que éstas tienen un suministro de potencia de la distribución de la planta eléctrica, y el ahorro en batería es un problema minúsculo comparado con los microteléfonos. Como se dijo previamente, la reconfiguración de una estación base ocurre raras veces y requeriría probablemente una sola reinicialización, de modo que el tiempo de conmutación no tiene relevancia.
MARGARISABEL VELASCO
CAF
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