你的位置:首頁 > RF/微波 > 正文

可降低多頻手機功耗的射頻-微機電系統(tǒng)

發(fā)布時間:2009-01-16 來源:愛普科斯集團

中心議題:

  • 頻段和功能的增加需要手機天線體積更緊湊,同時最大程度的降低功耗
  • 手機天線存在失調(diào)問題會增大系統(tǒng)的功耗
  • 可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)使射頻前端適應(yīng)天線的阻抗變化從而消除由此帶來的功耗損失
  • 射頻-微機電系統(tǒng)與普通的變?nèi)荻O管相比是構(gòu)成可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)的更好選擇

解決方案:

  • 當天線的阻抗發(fā)生變化時,可通過改變變?nèi)荻O管的電容量強制阻抗匹配發(fā)生變化
  • 目前使用的變?nèi)荻O管基于四種不同的技術(shù),射頻-微機電系統(tǒng)是其中之一
  • 射頻-微機電系統(tǒng)在線性和電能穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢,調(diào)諧范圍更大,幾乎可以用于各種場合


越來越多的新型手機將集成更多的頻帶和操作模式,同時最大程度地降低電能消耗。這是保證手機能夠滿足所有移動通信標準的重要方式。舉例來說,截至2008年年中,W-CDMA系統(tǒng)使用的頻帶有11個,其中5個頻帶也被GSM使用(表1)。


表1:當前手機的使用頻帶

表中所列頻帶分別在歐洲、亞洲和美國的不同地區(qū)被使用。手機將這些頻帶組合就對應(yīng)的可以在相應(yīng)的地區(qū)被使用。然而將這些頻段和操作模式組合需要復(fù)雜的射頻前端,因為每個頻帶都需要使用特殊的硬件。這意味著元件的數(shù)量以及對電路板空間的要求增加了,射頻前端的功率損耗也增加了。同時,手機集成了越來越多的功能,如照相機、MP3播放器、收音機和電視調(diào)諧器。由于手機的體積越來越小,話機中的天線也必須更緊湊。

天線失調(diào)
目前,手機中用的最多的是作為諧振電路的平面天線。其缺點是其近場對外部效應(yīng)如電話用戶的影響過度敏感。這會極大地改變天線電阻值,對發(fā)送和接收質(zhì)量會產(chǎn)生強烈的影響。電話的各種特色,如翻蓋或滑蓋手機、活動鍵盤和顯示屏,使天線的性能更加復(fù)雜,因為各種共地負載也會影響其電阻值。

比如用戶將手放在天線的發(fā)射區(qū)域,將會降低其共振頻率,并因此使天線失調(diào)。因此,目前開發(fā)的先進的天線,即使在最惡劣的條件下,其輸入電阻也不會超過3.5:1的電壓駐波比(VSWR)。這相當于約1.6 dB的損耗或天線反射功率的30%。如果考慮到大量的雙工器和相應(yīng)的開關(guān),電能會在整個前端(包括天線)區(qū)域耗散,因此將大大縮短電池的待機時間。

固定和可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)
固定匹配網(wǎng)絡(luò)之前用在射頻前端和天線之間,只匹配精確定義的天線電阻,現(xiàn)在也用于補償天線電阻的小幅變化。另外,固定匹配不能補償大的電阻變化,例如,天線電阻的有功電阻的變化系數(shù)達到4或電抗從3增加至50Ω??烧{(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)是這一問題的解決方案之一,這類網(wǎng)絡(luò)具有電阻可調(diào)的優(yōu)勢。另外,如果使用了反饋控制器,整個系統(tǒng)能夠?qū)μ炀€的所有電阻變化起適應(yīng)性反應(yīng)。這種適應(yīng)性調(diào)諧裝置由4個功能單元組成(圖1)。



圖1:適應(yīng)性匹配網(wǎng)絡(luò)的功能單元(圖中文字:適應(yīng)性匹配網(wǎng)絡(luò)能夠連續(xù)校正天線電阻)

功能原理:探測器首先測量傳輸?shù)纳漕l信號。此結(jié)果通過一種算法實時計算天線的適應(yīng)性匹配電路是否需要變化和需要哪些變化,并將信息傳送至DC/DC轉(zhuǎn)換器。該驅(qū)動器確定執(zhí)行器(變?nèi)荻O管)所需的電壓,并通過改變變?nèi)荻O管的電容量強制阻抗匹配發(fā)生變化。該過程不斷重復(fù)直至達到需要的阻抗,如50Ω。該過程所需的四個功能單元都可以集成在一個射頻模塊中。

目前使用的變?nèi)荻O管基于四種不同的技術(shù):BST(鈦酸鍶鋇)、CMOS、半導(dǎo)體變?nèi)荻O管和射頻-微機電系統(tǒng)。

射頻-微機電系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢
射頻-微機電系統(tǒng)與普通的變?nèi)荻O管技術(shù)相比有許多優(yōu)勢,尤其是在線性和電能穩(wěn)定性方面,以及更大的調(diào)諧范圍,使該技術(shù)幾乎可以用于各種場合。

愛普科斯使用靜電可變電容性射頻-微機電系統(tǒng)開關(guān)(圖3)。使用直流電壓可在“開”和“關(guān)”之間切換移動板(頂電極)的狀態(tài)。在關(guān)閉狀態(tài)下,頂電極與電介質(zhì)層接觸和底電極產(chǎn)生數(shù)皮法的電容。相反,在開啟狀態(tài)下,電容量極低,僅千分之幾皮法。因此,射頻-微機電系統(tǒng)開關(guān)在“高電容”和“低電容”之間切換。這兩種狀態(tài)之間的關(guān)系稱為開關(guān)比。



圖2:射頻-微機電系統(tǒng)的工作模式(圖中文字:頂電極和底電極之間的距離可臨時設(shè)置,從而改變電容值及阻抗值)

單個電容性射頻-微機電系統(tǒng)開關(guān)在1 GHz的條件下品質(zhì)因數(shù)Q為250(圖3)。該值明顯超過其它技術(shù)的結(jié)果3至5倍。


圖3:射頻-微機電系統(tǒng)的Q曲線(圖中文字:射頻-微機電系統(tǒng)得品質(zhì)因數(shù)Q為250,超過其它技術(shù)3至5倍)

為實現(xiàn)可開關(guān)電容陣列,需要將幾個開關(guān)并聯(lián)(見圖4)。通常,開關(guān)過程采用二進制編碼。使用5個開關(guān)可允許32個電容值。憑借單個微機電系統(tǒng)元件的大開關(guān)比,可取得大的調(diào)諧比。


圖4:射頻-微機電系統(tǒng)陣列的原理(圖中文字:所需電容由二進制編碼并聯(lián)電路設(shè)置)

總體調(diào)諧比約為10:1。使用BST或基于半導(dǎo)體的變?nèi)荻O管(例如使用具有超陡峭摻雜剖面的元件)無法獲得如此高的數(shù)值。

首個原型成功通過測試
一個試樣用來檢查天線適應(yīng)性匹配電路的功能(圖5)。它由如圖2所示、集成在單個模塊中的功能單元組成。


圖5:射頻-微機電系統(tǒng)試樣(圖中文字:完整的適應(yīng)性匹配網(wǎng)絡(luò)在單個模塊中實現(xiàn))

一個簡單的串聯(lián)LC匹配網(wǎng)絡(luò)補償天線阻抗虛部的變化。二進制的5位射頻-微機電系統(tǒng)陣列作此用途。高壓驅(qū)動器生成微機電系統(tǒng)偏置電壓,而失諧信息由匹配輸入阻抗的相位產(chǎn)生。反饋回路使匹配輸入阻抗達到所需數(shù)值。如例所示,控制算法則通過硬件執(zhí)行:可將算法編入微控制器以增加靈活性。

圖6顯示的是由用戶引起的平面反向F天線(PIFA)的變化。


圖6:天線的阻抗變化(圖中文字:各種用戶動作產(chǎn)生與理想值不同的各種天線阻抗值)

選擇適當?shù)奶炀€可允許只改變輸入阻抗的虛部(無功)分量,從而使實部(電阻性)分量保持近似不變。與用戶的相互作用使天線的電感性更強,從而改變共振頻率。調(diào)諧比約為10:1的串聯(lián)電容性射頻-微機電系統(tǒng)陣列能夠補償這一強烈的電感響應(yīng),因此可以修正天線阻抗。

圖7顯示的是修正的天線阻抗(藍色)。不使用適應(yīng)性天線匹配,阻抗將會具有極強的電感性(紅色)。在此圖中,不匹配天線的阻抗在50 Ω至50 * (1+j) Ω之間變化,相應(yīng)的VSWR分別為1:1或2.6:1。如果是后者,20%的能量已被反射或轉(zhuǎn)化為熱量。此功率消耗會極大地縮短電池的使用壽命。


圖7:與射頻-微機電系統(tǒng)的阻抗匹配(圖中文字:使用可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)可使天線阻抗保持在理想范圍內(nèi)。(藍色線))

使用適應(yīng)性天線匹配單元可將VSWR值補償至約1.2:1,相應(yīng)的反射能量約為1%。

表2總結(jié)了測量的性能。目前適應(yīng)性調(diào)諧電路的總能量消耗約為4.4 mW,但是將來可降低到低于1 mW。

表2:射頻-微機電系統(tǒng)模塊的性能

下一步是設(shè)計用于未來天線匹配模塊的平臺。第一個版本將由微控制器控制,從而保證適應(yīng)性天線匹配模塊在標準手機內(nèi)獨立運行。調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)將會更加復(fù)雜,從而獲得更大的調(diào)諧區(qū)域,并允許更多不同類型的天線運行。功率消耗和空間要求也會降到最低。

 

作者:Edgar Schmidhammer博士 SAW移動通訊研發(fā)副總裁 Maurice de Jongh SAW移動通訊產(chǎn)品開發(fā)高級科學(xué)家


 

要采購射頻么,點這里了解一下價格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉