用RF-MEMS实现可调谐天线

2008-04-09 15:49:18来源: 半导体

  针对移动应用的天线设计正变得越来越复杂,需要灵活的MEMS技术来满足集成新特性和新应用的要求。

  电视接收等新应用和新特性被不断地集成到无线器件中。此外,无线技术,包括局域网(Wi-Fi)、宽带无线接入(WiMAX)、数字电视(DVB-H)、全球定位系统(GPS)、超宽带(UWB)和多重输入多重输出(MIMO)等,都有望改善性能、扩展频段范围和增强吞吐量,但同时也对所需天线的成本、尺寸和性能提出重大的挑战。随着客户对无线设备需求的增长,市调公司Frost &Sullivan预计到2012年,仅北美一地的移动天线市场就将达到9.053亿美元。

  每种工作在特定频段范围内的无线标准,都要求它们自己的天线设计能够提供最优的性能。除标准的蜂窝射频之外,这些独立的无线网络紧密相邻,会引起自相干扰的增大,性能、音质或数据率的下降,或导致掉线。这个问题因为细长的波形因数而变得更加严重,即将天线密集地放在一起并交付客户使用,而比吸收率(specific absorption rate,SAR)限制则会影响相同天线的辐射模式和输出能量(图1)。

  

  

  针对这些挑战的一种有吸引力

  的解决方案是使天线变得动态可调谐。这种方法的好处很多,包括能够减小独立天线的尺寸,并使单个天线成为多频带天线,即单个天线能够支持多重频率,和/或使来自电话内其它射频器件的近场干扰对天线的影响更小。更好的是,移动终端架构需要增加额外的天线来支持客户不断要求的新特性和新功能,而可调的天线则能够去除对额外天线的需求。

  射频微机电系统(RF-MEMS)是一种新兴的技术,它能够为设计者提供制造可调天线所需的主要组件。使用基于RF-MEMS的有源天线系统,与使用传统技术实现的器件相比,未来的多频带、多特征参量的无线器件将变得更小、性能更佳、能耗更低。

  移动终端天线的挑战

  无线通信的进步引发了更多关于不同工作环境下天线性能的研究。随着频带更宽的新通信系统的引入,单频带的无线终端发展为多频带、多模式和目前的多功能器件。另外,移动终端的尺寸已经缩小到比一副扑克牌还要小。同时,内置天线因其美观小巧而成为发送设备的首选。所有这些变化,再加上移动电话用户对于吸收能量的严格限制,产生了改进天线以符合日益变小的平台的需求。为了应对这些挑战,天线和移动终端供应商不断地突破这些限制,让这些小尺寸天线可以在不同的频段和通信模式下有效地发送和接受射频波(图2)。

  

  

  对于天线的选择,无论内置或外置、小还是大,都会推动对底板设计的不同考虑。通常来说,较大的天线元件可以提供更大的增益和更宽的频带响应。而且同样大小的天线也可以在动态环境下工作良好,比如当一个无线设备靠近人的头部的时候。在这种情况下,理想的50欧姆的发送阻抗会轻微地变动,通过相应的整体输出能量的微小变化就可以补偿功率放大器的输出。然而,当天线元件较小时,它在通常工作条件下可能表现良好,但这是以较低的增益和对给定宽带较差的环境灵敏度为代价的。以人的头部为例,小尺寸天线的反馈阻抗可能会变化5倍以上,这迫使系统驱动功率放大器比通常情况下输出更大来进行补偿,从而引起功耗上升、电池寿命缩短。

  此外,将小尺寸天线放在移动电话的PCB板上时,天线的尺寸、形状和位置会对其性能产生很大的影响。底板会影响带宽、辐射效率和内置移动电话天线的比吸收率。因此,除了阻抗带宽之外,通话位置的辐射效率和吸收率强烈地依赖于电话底板的参数。这经常使得人们在设计周期快结束时被迫重新进行设计,有时甚至会在类型测试之后返工,从而推迟了产品的量产时间。

  SAR限制的考虑

  长期以来,移动电话设计者一直在寻找使电话天线能够在任何情况下都工作良好的辐射方式。然而,因为SAR要求的限制,例如美国的辐射限制为每克人体组织下的辐射量不超过1.6W/kg,这意味着大部分发送能量必须远离头部来辐射,并且如果天线是全方向发送的,那么它的整体能量必须很低。为了对此进行补偿,天线设计者必须仔细地定义组成天线的金属的形状或图案,使天线沿着垂直面和平行面辐射来减小对人体组织和来自于人体组织的影响。他们使用电脑模型来预测当人们通话时,移动电话在不同条件或位置下的性能。简而言之,SAR限制导致对天线辐射能量的设计考虑,并影响到它的形状、尺寸和在电话中的位置。

  匹配和带宽的考虑

  理想的天线应该在任何环境下的所有频段中都具有50Ω的阻抗,但一般情况下很少如此,因为要用单个天线来支持多达六种的不同频段。天线设计者经常受到工作频段下的效率和尺寸等制约。另一方面,功率放大器(power amplifier,PA)制造商总是将他们的放大器设计成驱动50Ω的负载。这给移动电话设计者提出了将天线负载与PA进行匹配的任务。与电容和电感等固定无源器件匹配的阻抗,主要用

  于解决天线与PA之间不匹配的问题。这样的无源网络是经过折衷权衡的,其性能低于设计值,因为匹配网络是固定的,这限制了它们在所有频段的匹配能力。匹配网络也会导致能量的损失。设计者通过使用两个或多个窄带放大器来进行补偿,每个窄带放大器都有自己的天线匹配网络。

  干扰问题

  当一个天线发送不想要的信号(不论何种频率)时,就会发生干扰,但不管怎样仍然会被另一个天线接收。当移动电话相互靠近时就会发生干扰,移动电话设计者早就观察到这个现象,并且采用多种电路与控制技术来解决干扰问题。直到最近,电话在进行蜂窝通话时只使用一个天线,也许还有第二个天线用于蓝牙,而现在则可能有第三个用于GPS。这些多功能蜂窝电话通常带有与蓝牙和GPS天线隔离的蜂窝天线。随着新标准和其它特性的出现(图2),蜂窝电话携载宽带,甚至包括CDMA和GSM等竞争技术变得很有必要。再加上蓝牙、WiFi和很快将被采用的WiMAX,移动电话设计者所面对的移动终端上会包含越来越多的天线。随着UWB和MIMO收发器等个人和局域网技术的长足进步,蜂窝电话开发者已经意识到严重的干扰问题在等着他们。

  

  

  很早就在向各个方向发送信号的固定系

  统中观察到干扰,例如WiFi,当具有同样能量和频率的两个发送器相互靠拢时就会产生干扰。通常采用时间分配、定向发送、多样化和/或跳频来解决这个问题。但移动电话的设计远没有这样高的灵活性,这是因为器件的移动性和存在不可预测的其它干扰源,比如移动电话、局域网和蓝牙等,以及小尺寸的移动电话和高接收灵敏度的要求。使用超高Q过滤(SAW、FBAR和/或空腔)来保护接收器免受干扰,并且清理发送以尽可能地降低产生干扰的可能性。不幸的是,这要求每个工作模式/频段都至少有一对额外的固定滤波器,这会增大移动电话的成本和尺寸。这些滤波器所要过滤的信号可能来自于同一平台的其它天线,但是邻近的天线之间可能产生相互干扰(图3)。密集的天线可能会引起天线到天线的直接耦合,这就需要更严格的滤波器规范,从而使滤波器的复杂度和成本上升。如果天线与RF路径耦合,那么固定滤波器可能很难起作用,因为滤波器是无法与RF路径隔离的,但是PCB屏蔽层有助于将这种耦合效应降到最低。

  滤波器和屏蔽层可以有效地减小干扰和天线耦合,但是它们会增大损耗和成本,从而影响天线的发送性能。每个发送路径上的损耗可以高达1-2dB。这再一次要求用PA来更为困难地进行补偿。

  天线调谐

  一个宽带天线被设计成工作在所需频带时状态最佳,它在目标频带内工作并进行优化,但它的效率低于单频带天线。此外,将小尺寸的内置天线用于具有细长的波形因数的移动电话,会使性能进一步下降。将小尺寸天线放在调谐网络中进行调节,是提升其多频带性能的一种方法。使用变容二极管等可变器件可以在某一频带内对天线进行调谐。通过测试和建模可以获取变容二极管在多频带内工作的最优值,然后可以用软件来提取这些值,并放入所需网络中。

  天线调谐可以改善宽带的性能。但不幸的是,由于调谐天线的效果比不上自然谐振的天线,所以调谐会降低性能。这是因为调谐网络本身会带来额外的损耗。

  总而言之,干扰的耦合、细长的波形因数、内置天线、SAR限制和不断增加的多频带/多功能选择,使蜂窝电话天线解决方案的开发成为一个非常复杂的难题。无线移动电话的设计者已经在这些限制条件下开发出终端,并将继续开发下去。同时,无线应用的前景明确地要求有一种新方法能够满足顾客和携带者的需求。

  使用 RF-MEMS

  MEMS的使用从1970年就开始了,当时是汽车产业首先用它们作为压力传感器。后来,汽车产业将MEMS用作碰撞安全气囊的加速度传感器。今天,基于MEMS的器件已经在宽屏电视、移动电话麦克风和GPS工具中找到了用武之地。

  对于RF应用而言,MEMS器件非常有希望用作现有方案的小尺寸、高性能替代选择,并降低材料的成本,而且还是实现更密集功能集成的一种途径。不断成长的移动电话市场,与不断演化的多频带/多模态电话问题一起,已经使多功能无线器件设计者对用MEMS来解决他们所面临的严重问题产生了浓厚的兴趣。

  RF-MEMS器件有许多形状和形式。有些像悬臂桥的微型版本,而另一些则可能模仿蹦床(图4)。它们的几何尺寸通常为数十到数百微米。这样的尺寸使这些器件非常有吸引力,因为它们使得在1 mm2或更小的空间内实现复杂的电路解决方案成为可能。此外,可以改变MEMS来实现各种不同的可调微应用,比如滤波器和放大器。

  可调天线和MEMS

  通常将离散的固定天线调谐用于移动终端中,从而使给定天线适合每个移动电话平台,但是经常无法对不同频带和工作环境下的负载进行最优匹配。这会使得天线的最大效率降低、发送能耗上升、接收灵敏度下降。长期以来,GaAs变容二极管等可变的RF组件在某些应用中一直表现良好。

  然而,因为不可接受的插入损耗和由此导致的电路线性度下降,使它们无法应用到可调谐前端和天线中。所以对于所有直接耦合到天线上元件而言,线性度非常关键,因为没有滤波器来清理发送信号或防止接收信号被发送信号调制。

  

  

  通过使用数字选择方式的MEMS电容器件,MEMS数字可调IC提供了一种替代变容二极管的高性能选择。这些可调节电容器的建造开始于两个金属板,其中一个在硅芯片表面,在其上方几微米处则悬浮着另一个。通过改变这两个金属板之间的距离可以调节它们之间的电容,而利用外加静电场的吸引力以使悬浮的金属板上下移动,则可以很精确地改变电容值。这些电容元件的阵列组成调谐矩阵,可以用来很精确地控制电容系统。实际上,对变容二极管进行精确的数字近似已经成为可能,而且还具有近乎完美的线性度和比传统模拟解决方案更宽的调谐范围。

  天线调谐器件的一种应用方法是采用一个谐振或阻抗可调(RLC)电路,以使可变电容能够调节功率放大器和天线之间的复杂阻抗。基本的方法如图5所示,其中通过RF-MEMS技术将可调电容和精确电感集成到一起。

  RF-MEMS的开发人员正在努力证明基于RF-MEMS的可调IC将变成移动电话

  的主要组件。可调天线器件是它的一个关键应用,因为可以利用RF-MEMS的性能和容易集成的优点。这种解决方案有助于降低干扰的影响,同时可以使一个尺寸更小的多频带天线在大多数情况下都工作良好。

  RF-MEMS产品有望为移动电话的设计方式带来巨大的变化。利用RF-MEMS技术能够生产出小尺寸、低成本、高性能的可调谐RF IC,它可以实现多种功能,包括高效率的可调放大器、可调滤波器和智能天线等。

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关键字:天线设计  变容二极管  调谐  RF-MEMS  线性度  直接耦合  可调滤波器  MEM

编辑:ssb 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/MEMS/2008/0409/article_23.html
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