用RF-MEMS實(shí)現可調諧天線(xiàn)

　　針對移動(dòng)應用的天線(xiàn)設計正變得越來(lái)越復雜，需要靈活的MEMS技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足集成新特性和新應用的要求。

　　電視接收等新應用和新特性被不斷地集成到無(wú)線(xiàn)器件中。此外，無(wú)線(xiàn)技術(shù)，包括局域網(wǎng)（Wi-Fi）、寬帶無(wú)線(xiàn)接入（WiMAX）、數字電視（DVB-H）、全球定位系統（GPS）、超寬帶（UWB）和多重輸入多重輸出（MIMO）等，都有望改善性能、擴展頻段范圍和增強吞吐量，但同時(shí)也對所需天線(xiàn)的成本、尺寸和性能提出重大的挑戰。隨著(zhù)客戶(hù)對無(wú)線(xiàn)設備需求的增長(cháng)，市調公司Frost Sullivan預計到2012年，僅北美一地的移動(dòng)天線(xiàn)市場(chǎng)就將達到9.053億美元。

　　每種工作在特定頻段范圍內的無(wú)線(xiàn)標準，都要求它們自己的天線(xiàn)設計能夠提供最優(yōu)的性能。除標準的蜂窩射頻之外，這些獨立的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )緊密相鄰，會(huì )引起自相干擾的增大，性能、音質(zhì)或數據率的下降，或導致掉線(xiàn)。這個(gè)問(wèn)題因為細長(cháng)的波形因數而變得更加嚴重，即將天線(xiàn)密集地放在一起并交付客戶(hù)使用，而比吸收率（specific absorption rate，SAR）限制則會(huì )影響相同天線(xiàn)的輻射模式和輸出能量（圖1）。

　　針對這些挑戰的一種有吸引力

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

　　射頻微機電系統（RF-MEMS）是一種新興的技術(shù)，它能夠為設計者提供制造可調天線(xiàn)所需的主要組件。使用基于RF-MEMS的有源天線(xiàn)系統，與使用傳統技術(shù)實(shí)現的器件相比，未來(lái)的多頻帶、多特征參量的無(wú)線(xiàn)器件將變得更小、性能更佳、能耗更低。

　　移動(dòng)終端天線(xiàn)的挑戰

　　無(wú)線(xiàn)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(xiàn)性能的研究。隨著(zhù)頻帶更寬的新通信系統的引入，單頻帶的無(wú)線(xiàn)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)，內置天線(xiàn)因其美觀(guān)小巧而成為發(fā)送設備的首選。所有這些變化，再加上移動(dòng)電話(huà)用戶(hù)對于吸收能量的嚴格限制，產(chǎn)生了改進(jìn)天線(xiàn)以符合日益變小的平臺的需求。為了應對這些挑戰，天線(xiàn)和移動(dòng)終端供應商不斷地突破這些限制，讓這些小尺寸天線(xiàn)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）。

　　對于天線(xiàn)的選擇，無(wú)論內置或外置、小還是大，都會(huì )推動(dòng)對底板設計的不同考慮。通常來(lái)說(shuō)，較大的天線(xiàn)元件可以提供更大的增益和更寬的頻帶響應。而且同樣大小的天線(xiàn)也可以在動(dòng)態(tài)環(huán)境下工作良好，比如當一個(gè)無(wú)線(xiàn)設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)相應的整體輸出能量的微小變化就可以補償功率放大器的輸出。然而，當天線(xiàn)元件較小時(shí)，它在通常工作條件下可能表現良好，但這是以較低的增益和對給定寬帶較差的環(huán)境靈敏度為代價(jià)的。以人的頭部為例，小尺寸天線(xiàn)的反饋阻抗可能會(huì )變化5倍以上，這迫使系統驅動(dòng)功率放大器比通常情況下輸出更大來(lái)進(jìn)行補償，從而引起功耗上升、電池壽命縮短。

　　此外，將小尺寸天線(xiàn)放在移動(dòng)電話(huà)的PCB板上時(shí)，天線(xiàn)的尺寸、形狀和位置會(huì )對其性能產(chǎn)生很大的影響。底板會(huì )影響帶寬、輻射效率和內置移動(dòng)電話(huà)天線(xiàn)的比吸收率。因此，除了阻抗帶寬之外，通話(huà)位置的輻射效率和吸收率強烈地依賴(lài)于電話(huà)底板的參數。這經(jīng)常使得人們在設計周期快結束時(shí)被迫重新進(jìn)行設計，有時(shí)甚至會(huì )在類(lèi)型測試之后返工，從而推遲了產(chǎn)品的量產(chǎn)時(shí)間。

　　SAR限制的考慮

　　長(cháng)期以來(lái)，移動(dòng)電話(huà)設計者一直在尋找使電話(huà)天線(xiàn)能夠在任何情況下都工作良好的輻射方式。然而，因為SAR要求的限制，例如美國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(zhù)大部分發(fā)送能量必須遠離頭部來(lái)輻射，并且如果天線(xiàn)是全方向發(fā)送的，那么它的整體能量必須很低。為了對此進(jìn)行補償，天線(xiàn)設計者必須仔細地定義組成天線(xiàn)的金屬的形狀或圖案，使天線(xiàn)沿著(zhù)垂直面和平行面輻射來(lái)減小對人體組織和來(lái)自于人體組織的影響。他們使用電腦模型來(lái)預測當人們通話(huà)時(shí)，移動(dòng)電話(huà)在不同條件或位置下的性能。簡(jiǎn)而言之，SAR限制導致對天線(xiàn)輻射能量的設計考慮，并影響到它的形狀、尺寸和在電話(huà)中的位置。

　　匹配和帶寬的考慮

　　理想的天線(xiàn)應該在任何環(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，因為要用單個(gè)天線(xiàn)來(lái)支持多達六種的不同頻段。天線(xiàn)設計者經(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計成驅動(dòng)50Ω的負載。這給移動(dòng)電話(huà)設計者提出了將天線(xiàn)負載與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(xiàn)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)折衷權衡的，其性能低于設計值，因為匹配網(wǎng)絡(luò )是固定的，這限制了它們在所有頻段的匹配能力。匹配網(wǎng)絡(luò )也會(huì )導致能量的損失。設計者通過(guò)使用兩個(gè)或多個(gè)窄帶放大器來(lái)進(jìn)行補償，每個(gè)窄帶放大器都有自己的天線(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò )。

　　干擾問(wèn)題

　　當一個(gè)天線(xiàn)發(fā)送不想要的信號（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(xiàn)接收。當移動(dòng)電話(huà)相互靠近時(shí)就會(huì )發(fā)生干擾，移動(dòng)電話(huà)設計者早就觀(guān)察到這個(gè)現象，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(huà)在進(jìn)行蜂窩通話(huà)時(shí)只使用一個(gè)天線(xiàn)，也許還有第二個(gè)天線(xiàn)用于藍牙，而現在則可能有第三個(gè)用于GPS。這些多功能蜂窩電話(huà)通常帶有與藍牙和GPS天線(xiàn)隔離的蜂窩天線(xiàn)。隨著(zhù)新標準和其它特性的出現（圖2），蜂窩電話(huà)攜載寬帶，甚至包括CDMA和GSM等競爭技術(shù)變得很有必要。再加上藍牙、WiFi和很快將被采用的WiMAX，移動(dòng)電話(huà)設計者所面對的移動(dòng)終端上會(huì )包含越來(lái)越多的天線(xiàn)。隨著(zhù)UWB和MIMO收發(fā)器等個(gè)人和局域網(wǎng)技術(shù)的長(cháng)足進(jìn)步，蜂窩電話(huà)開(kāi)發(fā)者已經(jīng)意識到嚴重的干擾問(wèn)題在等著(zhù)他們。

　　很早就在向各個(gè)方向發(fā)送信號的固定系

　　統中觀(guān)察到干擾，例如WiFi，當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(huà)的設計遠沒(méi)有這樣高的靈活性，這是因為器件的移動(dòng)性和存在不可預測的其它干擾源，比如移動(dòng)電話(huà)、局域網(wǎng)和藍牙等，以及小尺寸的移動(dòng)電話(huà)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/頻段都至少有一對額外的固定濾波器，這會(huì )增大移動(dòng)電話(huà)的成本和尺寸。這些濾波器所要過(guò)濾的信號可能來(lái)自于同一平臺的其它天線(xiàn)，但是鄰近的天線(xiàn)之間可能產(chǎn)生相互干擾（圖3）。密集的天線(xiàn)可能會(huì )引起天線(xiàn)到天線(xiàn)的直接耦合，這就需要更嚴格的濾波器規范，從而使濾波器的復雜度和成本上升。如果天線(xiàn)與RF路徑耦合，那么固定濾波器可能很難起作用，因為濾波器是無(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降到最低。

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

　　天線(xiàn)調諧

　　一個(gè)寬帶天線(xiàn)被設計成工作在所需頻帶時(shí)狀態(tài)最佳，它在目標頻帶內工作并進(jìn)行優(yōu)化，但它的效率低于單頻帶天線(xiàn)。此外，將小尺寸的內置天線(xiàn)用于具有細長(cháng)的波形因數的移動(dòng)電話(huà)，會(huì )使性能進(jìn)一步下降。將小尺寸天線(xiàn)放在調諧網(wǎng)絡(luò )中進(jìn)行調節，是提升其多頻帶性能的一種方法。使用變容二極管等可變器件可以在某一頻帶內對天線(xiàn)進(jìn)行調諧。通過(guò)測試和建?？梢垣@取變容二極管在多頻帶內工作的最優(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(xiàn)調諧可以改善寬帶的性能。但不幸的是，由于調諧天線(xiàn)的效果比不上自然諧振的天線(xiàn)，所以調諧會(huì )降低性能。這是因為調諧網(wǎng)絡(luò )本身會(huì )帶來(lái)額外的損耗。

　　總而言之，干擾的耦合、細長(cháng)的波形因數、內置天線(xiàn)、SAR限制和不斷增加的多頻帶/多功能選擇，使蜂窩電話(huà)天線(xiàn)解決方案的開(kāi)發(fā)成為一個(gè)非常復雜的難題。無(wú)線(xiàn)移動(dòng)電話(huà)的設計者已經(jīng)在這些限制條件下開(kāi)發(fā)出終端，并將繼續開(kāi)發(fā)下去。同時(shí)，無(wú)線(xiàn)應用的前景明確地要求有一種新方法能夠滿(mǎn)足顧客和攜帶者的需求。

　　使用 RF-MEMS

　　MEMS的使用從1970年就開(kāi)始了，當時(shí)是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)首先用它們作為壓力傳感器。后來(lái)，汽車(chē)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(huà)麥克風(fēng)和GPS工具中找到了用武之地。

　　對于RF應用而言，MEMS器件非常有希望用作現有方案的小尺寸、高性能替代選擇，并降低材料的成本，而且還是實(shí)現更密集功能集成的一種途徑。不斷成長(cháng)的移動(dòng)電話(huà)市場(chǎng)，與不斷演化的多頻帶/多模態(tài)電話(huà)問(wèn)題一起，已經(jīng)使多功能無(wú)線(xiàn)器件設計者對用MEMS來(lái)解決他們所面臨的嚴重問(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十到數百微米。這樣的尺寸使這些器件非常有吸引力，因為它們使得在1 mm2或更小的空間內實(shí)現復雜的電路解決方案成為可能。此外，可以改變MEMS來(lái)實(shí)現各種不同的可調微應用，比如濾波器和放大器。

　　可調天線(xiàn)和MEMS

　　通常將離散的固定天線(xiàn)調諧用于移動(dòng)終端中，從而使給定天線(xiàn)適合每個(gè)移動(dòng)電話(huà)平臺，但是經(jīng)常無(wú)法對不同頻帶和工作環(huán)境下的負載進(jìn)行最優(yōu)匹配。這會(huì )使得天線(xiàn)的最大效率降低、發(fā)送能耗上升、接收靈敏度下降。長(cháng)期以來(lái)，GaAs變容二極管等可變的RF組件在某些應用中一直表現良好。

　　然而，因為不可接受的插入損耗和由此導致的電路線(xiàn)性度下降，使它們無(wú)法應用到可調諧前端和天線(xiàn)中。所以對于所有直接耦合到天線(xiàn)上元件而言，線(xiàn)性度非常關(guān)鍵，因為沒(méi)有濾波器來(lái)清理發(fā)送信號或防止接收信號被發(fā)送信號調制。

　　通過(guò)使用數字選擇方式的MEMS電容器件，MEMS數字可調IC提供了一種替代變容二極管的高性能選擇。這些可調節電容器的建造開(kāi)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(zhù)另一個(gè)。通過(guò)改變這兩個(gè)金屬板之間的距離可以調節它們之間的電容，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諧矩陣，可以用來(lái)很精確地控制電容系統。實(shí)際上，對變容二極管進(jìn)行精確的數字近似已經(jīng)成為可能，而且還具有近乎完美的線(xiàn)性度和比傳統模擬解決方案更寬的調諧范圍。

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

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

　　的主要組件?？烧{天線(xiàn)器件是它的一個(gè)關(guān)鍵應用，因為可以利用RF-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(xiàn)在大多數情況下都工作良好。

　　RF-MEMS產(chǎn)品有望為移動(dòng)電話(huà)的設計方式帶來(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、高性能的可調諧RF IC，它可以實(shí)現多種功能，包括高效率的可調放大器、可調濾波器和智能天線(xiàn)等。