中心議題：

• 頻段和功能的增加需要手機(jī)天線體積更緊湊，同時(shí)最大程度的降低功耗
• 手機(jī)天線存在失調(diào)問(wèn)題會(huì)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(lái)的功耗損失
• 射頻-微機(jī)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(dāng)天線的阻抗發(fā)生變化時(shí)，可通過(guò)改變變?nèi)荻O管的電容量強(qiáng)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(jī)電系統(tǒng)是其中之一
• 射頻-微機(jī)電系統(tǒng)在線性和電能穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢(shì)，調(diào)諧范圍更大，幾乎可以用于各種場(chǎng)合

越來(lái)越多的新型手機(jī)將集成更多的頻帶和操作模式，同時(shí)最大程度地降低電能消耗。這是保證手機(jī)能夠滿(mǎn)足所有移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的重要方式。舉例來(lái)說(shuō)，截至2008年年中，W-CDMA系統(tǒng)使用的頻帶有11個(gè)，其中5個(gè)頻帶也被GSM使用（表1）。


表1：當(dāng)前手機(jī)的使用頻帶

表中所列頻帶分別在歐洲、亞洲和美國(guó)的不同地區(qū)被使用。手機(jī)將這些頻帶組合就對(duì)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?yàn)槊總€(gè)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(duì)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(shí)，手機(jī)集成了越來(lái)越多的功能，如照相機(jī)、MP3播放器、收音機(jī)和電視調(diào)諧器。由于手機(jī)的體積越來(lái)越小，話(huà)機(jī)中的天線也必須更緊湊。

天線失調(diào)
目前，手機(jī)中用的最多的是作為諧振電路的平面天線。其缺點(diǎn)是其近場(chǎng)對(duì)外部效應(yīng)如電話(huà)用戶(hù)的影響過(guò)度敏感。這會(huì)極大地改變天線電阻值，對(duì)發(fā)送和接收質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。電話(huà)的各種特色，如翻蓋或滑蓋手機(jī)、活動(dòng)鍵盤(pán)和顯示屏，使天線的性能更加復(fù)雜，因?yàn)楦鞣N共地負(fù)載也會(huì)影響其電阻值。

比如用戶(hù)將手放在天線的發(fā)射區(qū)域，將會(huì)降低其共振頻率，并因此使天線失調(diào)。因此，目前開(kāi)發(fā)的先進(jìn)的天線，即使在最?lèi)毫拥臈l件下，其輸入電阻也不會(huì)超過(guò)3.5:1的電壓駐波比（VSWR）。這相當(dāng)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(kāi)關(guān)，電能會(huì)在整個(gè)前端（包括天線）區(qū)域耗散，因此將大大縮短電池的待機(jī)時(shí)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(bǔ)償天線電阻的小幅變化。另外，固定匹配不能補(bǔ)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(dá)到4或電抗從3增加至50Ω?？烧{(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)是這一問(wèn)題的解決方案之一，這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)具有電阻可調(diào)的優(yōu)勢(shì)。另外，如果使用了反饋控制器，整個(gè)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(gè)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(cè)器首先測(cè)量傳輸?shù)纳漕l信號(hào)。此結(jié)果通過(guò)一種算法實(shí)時(shí)計(jì)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(dòng)器確定執(zhí)行器（變?nèi)荻O管）所需的電壓，并通過(guò)改變變?nèi)荻O管的電容量強(qiáng)制阻抗匹配發(fā)生變化。該過(guò)程不斷重復(fù)直至達(dá)到需要的阻抗，如50Ω。該過(guò)程所需的四個(gè)功能單元都可以集成在一個(gè)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(jī)電系統(tǒng)。

射頻-微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
射頻-微機(jī)電系統(tǒng)與普通的變?nèi)荻O管技術(shù)相比有許多優(yōu)勢(shì)，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(chǎng)合。

愛(ài)普科斯使用靜電可變電容性射頻-微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)（圖3）。使用直流電壓可在“開(kāi)”和“關(guān)”之間切換移動(dòng)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(kāi)啟狀態(tài)下，電容量極低，僅千分之幾皮法。因此，射頻-微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)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(chēng)為開(kāi)關(guān)比。



圖2：射頻-微機(jī)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(shí)設(shè)置，從而改變電容值及阻抗值）

單個(gè)電容性射頻-微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)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(guò)其它技術(shù)的結(jié)果3至5倍。


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

為實(shí)現(xiàn)可開(kāi)關(guān)電容陣列，需要將幾個(gè)開(kāi)關(guān)并聯(lián)（見(jiàn)圖4）。通常，開(kāi)關(guān)過(guò)程采用二進(jìn)制編碼。使用5個(gè)開(kāi)關(guān)可允許32個(gè)電容值。憑借單個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)元件的大開(kāi)關(guān)比，可取得大的調(diào)諧比。


圖4：射頻-微機(jī)電系統(tǒng)陣列的原理(圖中文字：所需電容由二進(jìn)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(wú)法獲得如此高的數(shù)值。

首個(gè)原型成功通過(guò)測(cè)試
一個(gè)試樣用來(lái)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(gè)模塊中的功能單元組成。


圖5：射頻-微機(jī)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(gè)模塊中實(shí)現(xiàn))

一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)LC匹配網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償天線阻抗虛部的變化。二進(jìn)制的5位射頻-微機(jī)電系統(tǒng)陣列作此用途。高壓驅(qū)動(dòng)器生成微機(jī)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(dá)到所需數(shù)值。如例所示，控制算法則通過(guò)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(hù)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(hù)動(dòng)作產(chǎn)生與理想值不同的各種天線阻抗值）

選擇適當(dāng)?shù)奶炀€可允許只改變輸入阻抗的虛部（無(wú)功）分量，從而使實(shí)部（電阻性）分量保持近似不變。與用戶(hù)的相互作用使天線的電感性更強(qiáng)，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(jī)電系統(tǒng)陣列能夠補(bǔ)償這一強(qiáng)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(lán)色）。不使用適應(yīng)性天線匹配，阻抗將會(huì)具有極強(qiáng)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(huì)極大地縮短電池的使用壽命。


圖7：與射頻-微機(jī)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(lán)色線））

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

表2總結(jié)了測(cè)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(lái)可降低到低于1 mW。

表2：射頻-微機(jī)電系統(tǒng)模塊的性能

下一步是設(shè)計(jì)用于未來(lái)天線匹配模塊的平臺(tái)。第一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)手機(jī)內(nèi)獨(dú)立運(yùn)行。調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)將會(huì)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(lèi)型的天線運(yùn)行。功率消耗和空間要求也會(huì)降到最低。