中心議題：
- 頻段和功能的增加需要手機天線(xiàn)體積更緊湊，同時(shí)最大程度的降低功耗
- 手機天線(xiàn)存在失調問(wèn)題會(huì )增大系統的功耗
- 可調匹配網(wǎng)絡(luò )使射頻前端適應天線(xiàn)的阻抗變化從而消除由此帶來(lái)的功耗損失
- 射頻-微機電系統與普通的變容二極管相比是構成可調匹配網(wǎng)絡(luò )的更好選擇
解決方案：
- 當天線(xiàn)的阻抗發(fā)生變化時(shí)，可通過(guò)改變變容二極管的電容量強制阻抗匹配發(fā)生變化
- 目前使用的變容二極管基于四種不同的技術(shù)，射頻-微機電系統是其中之一
- 射頻-微機電系統在線(xiàn)性和電能穩定性方面具有優(yōu)勢，調諧范圍更大，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。這是保證手機能夠滿(mǎn)足所有移動(dòng)通信標準的重要方式。舉例來(lái)說(shuō)，截至2008年年中，W-CDMA系統使用的頻帶有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被使用。手機將這些頻帶組合就對應的可以在相應的地區被使用。然而將這些頻段和操作模式組合需要復雜的射頻前端，因為每個(gè)頻帶都需要使用特殊的硬件。這意味著(zhù)元件的數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(shí)，手機集成了越來(lái)越多的功能，如照相機、MP3播放器、收音機和電視調諧器。由于手機的體積越來(lái)越小，話(huà)機中的天線(xiàn)也必須更緊湊。
天線(xiàn)失調
目前，手機中用的最多的是作為諧振電路的平面天線(xiàn)。其缺點(diǎn)是其近場(chǎng)對外部效應如電話(huà)用戶(hù)的影響過(guò)度敏感。這會(huì )極大地改變天線(xiàn)電阻值，對發(fā)送和接收質(zhì)量會(huì )產(chǎn)生強烈的影響。電話(huà)的各種特色，如翻蓋或滑蓋手機、活動(dòng)鍵盤(pán)和顯示屏，使天線(xiàn)的性能更加復雜，因為各種共地負載也會(huì )影響其電阻值。
比如用戶(hù)將手放在天線(xiàn)的發(fā)射區域，將會(huì )降低其共振頻率，并因此使天線(xiàn)失調。因此，目前開(kāi)發(fā)的先進(jìn)的天線(xiàn)，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）。這相當于約1.6 dB的損耗或天線(xiàn)反射功率的30%。如果考慮到大量的雙工器和相應的開(kāi)關(guān)，電能會(huì )在整個(gè)前端（包括天線(xiàn)）區域耗散，因此將大大縮短電池的待機時(shí)間。
固定和可調匹配網(wǎng)絡(luò )
固定匹配網(wǎng)絡(luò )之前用在射頻前端和天線(xiàn)之間，只匹配精確定義的天線(xiàn)電阻，現在也用于補償天線(xiàn)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(xiàn)電阻的有功電阻的變化系數達到4或電抗從3增加至50Ω?？烧{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 )具有電阻可調的優(yōu)勢。另外，如果使用了反饋控制器，整個(gè)系統能夠對天線(xiàn)的所有電阻變化起適應性反應。這種適應性調諧裝置由4個(gè)功能單元組成（圖1）。
圖1：適應性匹配網(wǎng)絡(luò )的功能單元（圖中文字：適應性匹配網(wǎng)絡(luò )能夠連續校正天線(xiàn)電阻）
功能原理：探測器首先測量傳輸的射頻信號。此結果通過(guò)一種算法實(shí)時(shí)計算天線(xiàn)的適應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轉換器。該驅動(dòng)器確定執行器（變容二極管）所需的電壓，并通過(guò)改變變容二極管的電容量強制阻抗匹配發(fā)生變化。該過(guò)程不斷重復直至達到需要的阻抗，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。
目前使用的變容二極管基于四種不同的技術(shù)：BST（鈦酸鍶鋇）、CMOS、半導體變容二極管和射頻-微機電系統。
射頻-微機電系統技術(shù)的優(yōu)勢
射頻-微機電系統與普通的變容二極管技術(shù)相比有許多優(yōu)勢，尤其是在線(xiàn)性和電能穩定性方面，以及更大的調諧范圍，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-微機電系統開(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-微機電系統開(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-微機電系統的工作模式（圖中文字：頂電極和底電極之間的距離可臨時(shí)設置，從而改變電容值及阻抗值）
單個(gè)電容性射頻-微機電系統開(kāi)關(guān)在1 GHz的條件下品質(zhì)因數Q為250（圖3）。該值明顯超過(guò)其它技術(shù)的結果3至5倍。
圖3：射頻-微機電系統的Q曲線(xiàn)（圖中文字：射頻-微機電系統得品質(zhì)因數Q為250，超過(guò)其它技術(shù)3至5倍）
為實(shí)現可開(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)微機電系統元件的大開(kāi)關(guān)比，可取得大的調諧比。
圖4：射頻-微機電系統陣列的原理(圖中文字：所需電容由二進(jìn)制編碼并聯(lián)電路設置)
總體調諧比約為10：1。使用BST或基于半導體的變容二極管（例如使用具有超陡峭摻雜剖面的元件）無(wú)法獲得如此高的數值。
首個(gè)原型成功通過(guò)測試
一個(gè)試樣用來(lái)檢查天線(xiàn)適應性匹配電路的功能（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-微機電系統試樣(圖中文字：完整的適應性匹配網(wǎng)絡(luò )在單個(gè)模塊中實(shí)現)
一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)LC匹配網(wǎng)絡(luò )補償天線(xiàn)阻抗虛部的變化。二進(jìn)制的5位射頻-微機電系統陣列作此用途。高壓驅動(dòng)器生成微機電系統偏置電壓，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值。如例所示，控制算法則通過(guò)硬件執行：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(xiàn)（PIFA）的變化。
圖6：天線(xiàn)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(xiàn)阻抗值）
選擇適當的天線(xiàn)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(xiàn)的電感性更強，從而改變共振頻率。調諧比約為10：1的串聯(lián)電容性射頻-微機電系統陣列能夠補償這一強烈的電感響應，因此可以修正天線(xiàn)阻抗。
圖7顯示的是修正的天線(xiàn)阻抗（藍色）。不使用適應性天線(xiàn)匹配，阻抗將會(huì )具有極強的電感性（紅色）。在此圖中，不匹配天線(xiàn)的阻抗在50 Ω至50 * (1+j) Ω之間變化，相應的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-微機電系統的阻抗匹配（圖中文字：使用可調匹配網(wǎng)絡(luò )可使天線(xiàn)阻抗保持在理想范圍內。（藍色線(xiàn)））
使用適應性天線(xiàn)匹配單元可將VSWR值補償至約1.2：1，相應的反射能量約為1%。
表2總結了測量的性能。目前適應性調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-微機電系統模塊的性能
下一步是設計用于未來(lái)天線(xiàn)匹配模塊的平臺。第一個(gè)版本將由微控制器控制，從而保證適應性天線(xiàn)匹配模塊在標準手機內獨立運行。調諧網(wǎng)絡(luò )將會(huì )更加復雜，從而獲得更大的調諧區域，并允許更多不同類(lèi)型的天線(xiàn)運行。功率消耗和空間要求也會(huì )降到最低。
