MEMS技術(shù)如何滿足天線調(diào)諧？移動終端天線的挑戰(zhàn)

針對移動應(yīng)用的天線設(shè)計正變得越來越復(fù)雜，需要靈活的MEMS技術(shù)來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線器件中。此外，無線技術(shù)，包括局域網(wǎng)（Wi-Fi）、寬帶無線接入（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、擴展頻段范圍和增強吞吐量，但同時也對所需天線的成本、尺寸和性能提出重大的挑戰(zhàn)。隨著客戶對無線設(shè)備需求的增長，市調(diào)公司Frost &Sullivan預(yù)計到2012年，僅北美一地的移動天線市場就將達(dá)到9.053億美元。

每種工作在特定頻段范圍內(nèi)的無線標(biāo)準(zhǔn)，都要求它們自己的天線設(shè)計能夠提供最優(yōu)的性能。除標(biāo)準(zhǔn)的蜂窩射頻之外，這些獨立的無線網(wǎng)絡(luò)緊密相鄰，會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€。這個問題因為細(xì)長的波形因數(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）限制則會影響相同天線的輻射模式和輸出能量（圖1）。

針對這些挑戰(zhàn)的一種有吸引力

的解決方案是使天線變得動態(tài)可調(diào)諧。這種方法的好處很多，包括能夠減小獨立天線的尺寸，并使單個天線成為多頻帶天線，即單個天線能夠支持多重頻率，和/或使來自電話內(nèi)其它射頻器件的近場干擾對天線的影響更小。更好的是，移動終端架構(gòu)需要增加額外的天線來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額外天線的需求。

射頻微機電系統(tǒng)（RF-MEMS）是一種新興的技術(shù)，它能夠為設(shè)計者提供制造可調(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)實現(xiàn)的器件相比，未來的多頻帶、多特征參量的無線器件將變得更小、性能更佳、能耗更低。

移動終端天線的挑戰(zhàn)

無線通信的進(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，移動終端的尺寸已經(jīng)縮小到比一副撲克牌還要小。同時，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，再加上移動電話用戶對于吸收能量的嚴(yán)格限制，產(chǎn)生了改進(jìn)天線以符合日益變小的平臺的需求。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，天線和移動終端供應(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）。

對于天線的選擇，無論內(nèi)置或外置、小還是大，都會推動對底板設(shè)計的不同考慮。通常來說，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態(tài)環(huán)境下工作良好，比如當(dāng)一個無線設(shè)備靠近人的頭部的時候。在這種情況下，理想的50歐姆的發(fā)送阻抗會輕微地變動，通過相應(yīng)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(dāng)天線元件較小時，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給定寬帶較差的環(huán)境靈敏度為代價的。以人的頭部為例，小尺寸天線的反饋阻抗可能會變化5倍以上，這迫使系統(tǒng)驅(qū)動功率放大器比通常情況下輸出更大來進(jìn)行補償，從而引起功耗上升、電池壽命縮短。

此外，將小尺寸天線放在移動電話的PCB板上時，天線的尺寸、形狀和位置會對其性能產(chǎn)生很大的影響。底板會影響帶寬、輻射效率和內(nèi)置移動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烈地依賴于電話底板的參數(shù)。這經(jīng)常使得人們在設(shè)計周期快結(jié)束時被迫重新進(jìn)行設(shè)計，有時甚至?xí)陬愋蜏y試之后返工，從而推遲了產(chǎn)品的量產(chǎn)時間。

SAR限制的考慮

長期以來，移動電話設(shè)計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1.6W/kg，這意味著大部分發(fā)送能量必須遠(yuǎn)離頭部來輻射，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。為了對此進(jìn)行補償，天線設(shè)計者必須仔細(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減小對人體組織和來自于人體組織的影響。他們使用電腦模型來預(yù)測當(dāng)人們通話時，移動電話在不同條件或位置下的性能。簡而言之，SAR限制導(dǎo)致對天線輻射能量的設(shè)計考慮，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，因為要用單個天線來支持多達(dá)六種的不同頻段。天線設(shè)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(shè)計成驅(qū)動50Ω的負(fù)載。這給移動電話設(shè)計者提出了將天線負(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之間不匹配的問題。這樣的無源網(wǎng)絡(luò)是經(jīng)過折衷權(quán)衡的，其性能低于設(shè)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)也會導(dǎo)致能量的損失。設(shè)計者通過使用兩個或多個窄帶放大器來進(jìn)行補償，每個窄帶放大器都有自己的天線匹配網(wǎng)絡(luò)。

干擾問題

當(dāng)一個天線發(fā)送不想要的信號（不論何種頻率）時，就會發(fā)生干擾，但不管怎樣仍然會被另一個天線接收。當(dāng)移動電話相互靠近時就會發(fā)生干擾，移動電話設(shè)計者早就觀察到這個現(xiàn)象，并且采用多種電路與控制技術(shù)來解決干擾問題。直到最近，電話在進(jìn)行蜂窩通話時只使用一個天線，也許還有第二個天線用于藍(lán)牙，而現(xiàn)在則可能有第三個用于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等競爭技術(shù)變得很有必要。再加上藍(lán)牙、WiFi和很快將被采用的WiMAX，移動電話設(shè)計者所面對的移動終端上會包含越來越多的天線。隨著UWB和MIMO收發(fā)器等個人和局域網(wǎng)技術(shù)的長足進(jìn)步，蜂窩電話開發(fā)者已經(jīng)意識到嚴(yán)重的干擾問題在等著他們。

很早就在向各個方向發(fā)送信號的固定系

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發(fā)送器相互靠攏時就會產(chǎn)生干擾。通常采用時間分配、定向發(fā)送、多樣化和/或跳頻來解決這個問題。但移動電話的設(shè)計遠(yuǎn)沒有這樣高的靈活性，這是因為器件的移動性和存在不可預(yù)測的其它干擾源，比如移動電話、局域網(wǎng)和藍(lán)牙等，以及小尺寸的移動電話和高接收靈敏度的要求。使用超高Q過濾（SAW、FBAR和/或空腔）來保護(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，這要求每個工作模式/頻段都至少有一對額外的固定濾波器，這會增大移動電話的成本和尺寸。這些濾波器所要過濾的信號可能來自于同一平臺的其它天線，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，因為濾波器是無法與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，但是它們會增大損耗和成本，從而影響天線的發(fā)送性能。每個發(fā)送路徑上的損耗可以高達(dá)1-2dB。這再一次要求用PA來更為困難地進(jìn)行補償。

天線調(diào)諧

一個寬帶天線被設(shè)計成工作在所需頻帶時狀態(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)長的波形因數(shù)的移動電話，會使性能進(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)?a target="_blank">二極管等可變器件可以在某一頻帶內(nèi)對天線進(jìn)行調(diào)諧。通過測試和建模可以獲取變?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)諧會降低性能。這是因為調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)本身會帶來額外的損耗。

總而言之，干擾的耦合、細(xì)長的波形因數(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)成為一個非常復(fù)雜的難題。無線移動電話的設(shè)計者已經(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，無線應(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)時是汽車產(chǎn)業(yè)首先用它們作為壓力傳感器。后來，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、移動電話麥克風(fēng)和GPS工具中找到了用武之地。

對于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，而且還是實現(xiàn)更密集功能集成的一種途徑。不斷成長的移動電話市場，與不斷演化的多頻帶/多模態(tài)電話問題一起，已經(jīng)使多功能無線器件設(shè)計者對用MEMS來解決他們所面臨的嚴(yán)重問題產(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，因為它們使得在1 mm2或更小的空間內(nèi)實現(xiàn)復(fù)雜的電路解決方案成為可能。此外，可以改變MEMS來實現(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)諧用于移動終端中，從而使給定天線適合每個移動電話平臺，但是經(jīng)常無法對不同頻帶和工作環(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。長期以來，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，因為不可接受的插入損耗和由此導(dǎo)致的電路線性度下降，使它們無法應(yīng)用到可調(diào)諧前端和天線中。所以對于所有直接耦合到天線上元件而言，線性度非常關(guān)鍵，因為沒有濾波器來清理發(fā)送信號或防止接收信號被發(fā)送信號調(diào)制。

通過使用數(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金屬板，其中一個在硅芯片表面，在其上方幾微米處則懸浮著另一個。通過改變這兩個金屬板之間的距離可以調(diào)節(jié)它們之間的電容，而利用外加靜電場的吸引力以使懸浮的金屬板上下移動，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，可以用來很精確地控制電容系統(tǒng)。實際上，對變?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將變成移動電話

的主要組件?？烧{(diào)天線器件是它的一個關(guān)鍵應(yīng)用，因為可以利用RF-MEMS的性能和容易集成的優(yōu)點。這種解決方案有助于降低干擾的影響，同時可以使一個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)品有望為移動電話的設(shè)計方式帶來巨大的變化。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。