用RF-MEMS實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧天線

　　針對(duì)移動(dòng)應(yīng)用的天線設(shè)計(jì)正變得越來(lái)越復(fù)雜，需要靈活的MEMS技術(shù)來(lái)滿足集成新特性和新應(yīng)用的要求。

　　電視接收等新應(yīng)用和新特性被不斷地集成到無(wú)線器件中。此外，無(wú)線技術(shù)，包括局域網(wǎng)（Wi-Fi）、寬帶無(wú)線接入（WiMAX）、數(shù)字電視（DVB-H）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、超寬帶（UWB）和多重輸入多重輸出（MIMO）等，都有望改善性能、擴(kuò)展頻段范圍和增強(qiáng)吞吐量，但同時(shí)也對(duì)所需天線的成本、尺寸和性能提出重大的挑戰(zhàn)。隨著客戶對(duì)無(wú)線設(shè)備需求的增長(zhǎng)，市調(diào)公司Frost Sullivan預(yù)計(jì)到2012年，僅北美一地的移動(dòng)天線市場(chǎng)就將達(dá)到9.053億美元。

　　每種工作在特定頻段范圍內(nèi)的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，都要求它們自己的天線設(shè)計(jì)能夠提供最優(yōu)的性能。除標(biāo)準(zhǔn)的蜂窩射頻之外，這些獨(dú)立的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)緊密相鄰，會(huì)引起自相干擾的增大，性能、音質(zhì)或數(shù)據(jù)率的下降，或?qū)е碌艟€。這個(gè)問(wèn)題因?yàn)榧?xì)長(zhǎng)的波形因數(shù)而變得更加嚴(yán)重，即將天線密集地放在一起并交付客戶使用，而比吸收率（specific absorption rate，SAR）限制則會(huì)影響相同天線的輻射模式和輸出能量（圖1）。

　　針對(duì)這些挑戰(zhàn)的一種有吸引力

　　的解決方案是使天線變得動(dòng)態(tài)可調(diào)諧。這種方法的好處很多，包括能夠減小獨(dú)立天線的尺寸，并使單個(gè)天線成為多頻帶天線，即單個(gè)天線能夠支持多重頻率，和/或使來(lái)自電話內(nèi)其它射頻器件的近場(chǎng)干擾對(duì)天線的影響更小。更好的是，移動(dòng)終端架構(gòu)需要增加額外的天線來(lái)支持客戶不斷要求的新特性和新功能，而可調(diào)的天線則能夠去除對(duì)額外天線的需求。

　　射頻微機(jī)電系統(tǒng)（RF-MEMS）是一種新興的技術(shù)，它能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)者提供制造可調(diào)天線所需的主要組件。使用基于RF-MEMS的有源天線系統(tǒng)，與使用傳統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的器件相比，未來(lái)的多頻帶、多特征參量的無(wú)線器件將變得更小、性能更佳、能耗更低。

　　移動(dòng)終端天線的挑戰(zhàn)

　　無(wú)線通信的進(jìn)步引發(fā)了更多關(guān)于不同工作環(huán)境下天線性能的研究。隨著頻帶更寬的新通信系統(tǒng)的引入，單頻帶的無(wú)線終端發(fā)展為多頻帶、多模式和目前的多功能器件。另外，移動(dòng)終端的尺寸已經(jīng)縮小到比一副撲克牌還要小。同時(shí)，內(nèi)置天線因其美觀小巧而成為發(fā)送設(shè)備的首選。所有這些變化，再加上移動(dòng)電話用戶對(duì)于吸收能量的嚴(yán)格限制，產(chǎn)生了改進(jìn)天線以符合日益變小的平臺(tái)的需求。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，天線和移動(dòng)終端供應(yīng)商不斷地突破這些限制，讓這些小尺寸天線可以在不同的頻段和通信模式下有效地發(fā)送和接受射頻波（圖2）。

　　對(duì)于天線的選擇，無(wú)論內(nèi)置或外置、小還是大，都會(huì)推動(dòng)對(duì)底板設(shè)計(jì)的不同考慮。通常來(lái)說(shuō)，較大的天線元件可以提供更大的增益和更寬的頻帶響應(yīng)。而且同樣大小的天線也可以在動(dòng)態(tài)環(huán)境下工作良好，比如當(dāng)一個(gè)無(wú)線設(shè)備靠近人的頭部的時(shí)候。在這種情況下，理想的50歐姆的發(fā)送阻抗會(huì)輕微地變動(dòng)，通過(guò)相應(yīng)的整體輸出能量的微小變化就可以補(bǔ)償功率放大器的輸出。然而，當(dāng)天線元件較小時(shí)，它在通常工作條件下可能表現(xiàn)良好，但這是以較低的增益和對(duì)給定寬帶較差的環(huán)境靈敏度為代價(jià)的。以人的頭部為例，小尺寸天線的反饋?zhàn)杩箍赡軙?huì)變化5倍以上，這迫使系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)功率放大器比通常情況下輸出更大來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，從而引起功耗上升、電池壽命縮短。

　　此外，將小尺寸天線放在移動(dòng)電話的PCB板上時(shí)，天線的尺寸、形狀和位置會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生很大的影響。底板會(huì)影響帶寬、輻射效率和內(nèi)置移動(dòng)電話天線的比吸收率。因此，除了阻抗帶寬之外，通話位置的輻射效率和吸收率強(qiáng)烈地依賴于電話底板的參數(shù)。這經(jīng)常使得人們?cè)谠O(shè)計(jì)周期快結(jié)束時(shí)被迫重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，有時(shí)甚至?xí)陬愋蜏y(cè)試之后返工，從而推遲了產(chǎn)品的量產(chǎn)時(shí)間。

　　SAR限制的考慮

　　長(zhǎng)期以來(lái)，移動(dòng)電話設(shè)計(jì)者一直在尋找使電話天線能夠在任何情況下都工作良好的輻射方式。然而，因?yàn)镾AR要求的限制，例如美國(guó)的輻射限制為每克人體組織下的輻射量不超過(guò)1.6W/kg，這意味著大部分發(fā)送能量必須遠(yuǎn)離頭部來(lái)輻射，并且如果天線是全方向發(fā)送的，那么它的整體能量必須很低。為了對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，天線設(shè)計(jì)者必須仔細(xì)地定義組成天線的金屬的形狀或圖案，使天線沿著垂直面和平行面輻射來(lái)減小對(duì)人體組織和來(lái)自于人體組織的影響。他們使用電腦模型來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)人們通話時(shí)，移動(dòng)電話在不同條件或位置下的性能。簡(jiǎn)而言之，SAR限制導(dǎo)致對(duì)天線輻射能量的設(shè)計(jì)考慮，并影響到它的形狀、尺寸和在電話中的位置。

　　匹配和帶寬的考慮

　　理想的天線應(yīng)該在任何環(huán)境下的所有頻段中都具有50Ω的阻抗，但一般情況下很少如此，因?yàn)橐脝蝹€(gè)天線來(lái)支持多達(dá)六種的不同頻段。天線設(shè)計(jì)者經(jīng)常受到工作頻段下的效率和尺寸等制約。另一方面，功率放大器（power amplifier，PA）制造商總是將他們的放大器設(shè)計(jì)成驅(qū)動(dòng)50Ω的負(fù)載。這給移動(dòng)電話設(shè)計(jì)者提出了將天線負(fù)載與PA進(jìn)行匹配的任務(wù)。與電容和電感等固定無(wú)源器件匹配的阻抗，主要用

　　于解決天線與PA之間不匹配的問(wèn)題。這樣的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)是經(jīng)過(guò)折衷權(quán)衡的，其性能低于設(shè)計(jì)值，因?yàn)槠ヅ渚W(wǎng)絡(luò)是固定的，這限制了它們?cè)谒蓄l段的匹配能力。匹配網(wǎng)絡(luò)也會(huì)導(dǎo)致能量的損失。設(shè)計(jì)者通過(guò)使用兩個(gè)或多個(gè)窄帶放大器來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，每個(gè)窄帶放大器都有自己的天線匹配網(wǎng)絡(luò)。

　　干擾問(wèn)題

　　當(dāng)一個(gè)天線發(fā)送不想要的信號(hào)（不論何種頻率）時(shí)，就會(huì)發(fā)生干擾，但不管怎樣仍然會(huì)被另一個(gè)天線接收。當(dāng)移動(dòng)電話相互靠近時(shí)就會(huì)發(fā)生干擾，移動(dòng)電話設(shè)計(jì)者早就觀察到這個(gè)現(xiàn)象，并且采用多種電路與控制技術(shù)來(lái)解決干擾問(wèn)題。直到最近，電話在進(jìn)行蜂窩通話時(shí)只使用一個(gè)天線，也許還有第二個(gè)天線用于藍(lán)牙，而現(xiàn)在則可能有第三個(gè)用于GPS。這些多功能蜂窩電話通常帶有與藍(lán)牙和GPS天線隔離的蜂窩天線。隨著新標(biāo)準(zhǔn)和其它特性的出現(xiàn)（圖2），蜂窩電話攜載寬帶，甚至包括CDMA和GSM等競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)變得很有必要。再加上藍(lán)牙、WiFi和很快將被采用的WiMAX，移動(dòng)電話設(shè)計(jì)者所面對(duì)的移動(dòng)終端上會(huì)包含越來(lái)越多的天線。隨著UWB和MIMO收發(fā)器等個(gè)人和局域網(wǎng)技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，蜂窩電話開發(fā)者已經(jīng)意識(shí)到嚴(yán)重的干擾問(wèn)題在等著他們。

　　很早就在向各個(gè)方向發(fā)送信號(hào)的固定系

　　統(tǒng)中觀察到干擾，例如WiFi，當(dāng)具有同樣能量和頻率的兩個(gè)發(fā)送器相互靠攏時(shí)就會(huì)產(chǎn)生干擾。通常采用時(shí)間分配、定向發(fā)送、多樣化和/或跳頻來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。但移動(dòng)電話的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)沒有這樣高的靈活性，這是因?yàn)槠骷囊苿?dòng)性和存在不可預(yù)測(cè)的其它干擾源，比如移動(dòng)電話、局域網(wǎng)和藍(lán)牙等，以及小尺寸的移動(dòng)電話和高接收靈敏度的要求。使用超高Q過(guò)濾（SAW、FBAR和/或空腔）來(lái)保護(hù)接收器免受干擾，并且清理發(fā)送以盡可能地降低產(chǎn)生干擾的可能性。不幸的是，這要求每個(gè)工作模式/頻段都至少有一對(duì)額外的固定濾波器，這會(huì)增大移動(dòng)電話的成本和尺寸。這些濾波器所要過(guò)濾的信號(hào)可能來(lái)自于同一平臺(tái)的其它天線，但是鄰近的天線之間可能產(chǎn)生相互干擾（圖3）。密集的天線可能會(huì)引起天線到天線的直接耦合，這就需要更嚴(yán)格的濾波器規(guī)范，從而使濾波器的復(fù)雜度和成本上升。如果天線與RF路徑耦合，那么固定濾波器可能很難起作用，因?yàn)闉V波器是無(wú)法與RF路徑隔離的，但是PCB屏蔽層有助于將這種耦合效應(yīng)降到最低。

　　濾波器和屏蔽層可以有效地減小干擾和天線耦合，但是它們會(huì)增大損耗和成本，從而影響天線的發(fā)送性能。每個(gè)發(fā)送路徑上的損耗可以高達(dá)1-2dB。這再一次要求用PA來(lái)更為困難地進(jìn)行補(bǔ)償。

　　天線調(diào)諧

　　一個(gè)寬帶天線被設(shè)計(jì)成工作在所需頻帶時(shí)狀態(tài)最佳，它在目標(biāo)頻帶內(nèi)工作并進(jìn)行優(yōu)化，但它的效率低于單頻帶天線。此外，將小尺寸的內(nèi)置天線用于具有細(xì)長(zhǎng)的波形因數(shù)的移動(dòng)電話，會(huì)使性能進(jìn)一步下降。將小尺寸天線放在調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行調(diào)節(jié)，是提升其多頻帶性能的一種方法。使用變?nèi)荻O管等可變器件可以在某一頻帶內(nèi)對(duì)天線進(jìn)行調(diào)諧。通過(guò)測(cè)試和建?？梢垣@取變?nèi)荻O管在多頻帶內(nèi)工作的最優(yōu)值，然后可以用軟件來(lái)提取這些值，并放入所需網(wǎng)絡(luò)中。

　　天線調(diào)諧可以改善寬帶的性能。但不幸的是，由于調(diào)諧天線的效果比不上自然諧振的天線，所以調(diào)諧會(huì)降低性能。這是因?yàn)檎{(diào)諧網(wǎng)絡(luò)本身會(huì)帶來(lái)額外的損耗。

　　總而言之，干擾的耦合、細(xì)長(zhǎng)的波形因數(shù)、內(nèi)置天線、SAR限制和不斷增加的多頻帶/多功能選擇，使蜂窩電話天線解決方案的開發(fā)成為一個(gè)非常復(fù)雜的難題。無(wú)線移動(dòng)電話的設(shè)計(jì)者已經(jīng)在這些限制條件下開發(fā)出終端，并將繼續(xù)開發(fā)下去。同時(shí)，無(wú)線應(yīng)用的前景明確地要求有一種新方法能夠滿足顧客和攜帶者的需求。

　　使用 RF-MEMS

　　MEMS的使用從1970年就開始了，當(dāng)時(shí)是汽車產(chǎn)業(yè)首先用它們作為壓力傳感器。后來(lái)，汽車產(chǎn)業(yè)將MEMS用作碰撞安全氣囊的加速度傳感器。今天，基于MEMS的器件已經(jīng)在寬屏電視、移動(dòng)電話麥克風(fēng)和GPS工具中找到了用武之地。

　　對(duì)于RF應(yīng)用而言，MEMS器件非常有希望用作現(xiàn)有方案的小尺寸、高性能替代選擇，并降低材料的成本，而且還是實(shí)現(xiàn)更密集功能集成的一種途徑。不斷成長(zhǎng)的移動(dòng)電話市場(chǎng)，與不斷演化的多頻帶/多模態(tài)電話問(wèn)題一起，已經(jīng)使多功能無(wú)線器件設(shè)計(jì)者對(duì)用MEMS來(lái)解決他們所面臨的嚴(yán)重問(wèn)題產(chǎn)生了濃厚的興趣。

　　RF-MEMS器件有許多形狀和形式。有些像懸臂橋的微型版本，而另一些則可能模仿蹦床（圖4）。它們的幾何尺寸通常為數(shù)十到數(shù)百微米。這樣的尺寸使這些器件非常有吸引力，因?yàn)樗鼈兪沟迷? mm2或更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電路解決方案成為可能。此外，可以改變MEMS來(lái)實(shí)現(xiàn)各種不同的可調(diào)微應(yīng)用，比如濾波器和放大器。

　　可調(diào)天線和MEMS

　　通常將離散的固定天線調(diào)諧用于移動(dòng)終端中，從而使給定天線適合每個(gè)移動(dòng)電話平臺(tái)，但是經(jīng)常無(wú)法對(duì)不同頻帶和工作環(huán)境下的負(fù)載進(jìn)行最優(yōu)匹配。這會(huì)使得天線的最大效率降低、發(fā)送能耗上升、接收靈敏度下降。長(zhǎng)期以來(lái)，GaAs變?nèi)荻O管等可變的RF組件在某些應(yīng)用中一直表現(xiàn)良好。

　　然而，因?yàn)椴豢山邮艿牟迦霌p耗和由此導(dǎo)致的電路線性度下降，使它們無(wú)法應(yīng)用到可調(diào)諧前端和天線中。所以對(duì)于所有直接耦合到天線上元件而言，線性度非常關(guān)鍵，因?yàn)闆]有濾波器來(lái)清理發(fā)送信號(hào)或防止接收信號(hào)被發(fā)送信號(hào)調(diào)制。

　　通過(guò)使用數(shù)字選擇方式的MEMS電容器件，MEMS數(shù)字可調(diào)IC提供了一種替代變?nèi)荻O管的高性能選擇。這些可調(diào)節(jié)電容器的建造開始于兩個(gè)金屬板，其中一個(gè)在硅芯片表面，在其上方幾微米處則懸浮著另一個(gè)。通過(guò)改變這兩個(gè)金屬板之間的距離可以調(diào)節(jié)它們之間的電容，而利用外加靜電場(chǎng)的吸引力以使懸浮的金屬板上下移動(dòng)，則可以很精確地改變電容值。這些電容元件的陣列組成調(diào)諧矩陣，可以用來(lái)很精確地控制電容系統(tǒng)。實(shí)際上，對(duì)變?nèi)荻O管進(jìn)行精確的數(shù)字近似已經(jīng)成為可能，而且還具有近乎完美的線性度和比傳統(tǒng)模擬解決方案更寬的調(diào)諧范圍。

　　天線調(diào)諧器件的一種應(yīng)用方法是采用一個(gè)諧振或阻抗可調(diào)（RLC）電路，以使可變電容能夠調(diào)節(jié)功率放大器和天線之間的復(fù)雜阻抗?；镜姆椒ㄈ鐖D5所示，其中通過(guò)RF-MEMS技術(shù)將可調(diào)電容和精確電感集成到一起。

　　RF-MEMS的開發(fā)人員正在努力證明基于RF-MEMS的可調(diào)IC將變成移動(dòng)電話

　　的主要組件。可調(diào)天線器件是它的一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用，因?yàn)榭梢岳肦F-MEMS的性能和容易集成的優(yōu)點(diǎn)。這種解決方案有助于降低干擾的影響，同時(shí)可以使一個(gè)尺寸更小的多頻帶天線在大多數(shù)情況下都工作良好。

　　RF-MEMS產(chǎn)品有望為移動(dòng)電話的設(shè)計(jì)方式帶來(lái)巨大的變化。利用RF-MEMS技術(shù)能夠生產(chǎn)出小尺寸、低成本、高性能的可調(diào)諧RF IC，它可以實(shí)現(xiàn)多種功能，包括高效率的可調(diào)放大器、可調(diào)濾波器和智能天線等。