CN101233653A - 用于进行无线接收和发射的基于mems的可调天线 - Google Patents

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Abstract

无线设备的天线(20)可以动态地保持调谐到期望的中心频率，以补偿由环境影响所引起的失调。传感器(38)向控制器(34)提供反馈信号，以从可变电容器(30，32)选择适当的电容值以便调谐无线设备的天线。可变电容器(30，32)可以包括并行设置的多个固定电容器(50，52，54，56，58)和MEMS开关(60，62，64，66，68)，或者可以包括具有固定下层板(72)和可弯曲上层板(74)的可变MEMS电容器。

Description

用于进行无线接收和发射的基于MEMS的可调天线
相关申请的交叉引用
本申请要求于2003年9月11日递交的美国临时申请No.60/502,466的优先权，通过引用将其内容并入此处。
技术领域
本发明的实施例涉及天线，特别涉及MEMS(微机电系统)可调天线。
背景技术
电子通信设备不必再受到线缆的束缚。最近，无线通信已经成为一种用于传送模拟和数字信息的普遍使用且通常经济方便的方法。特别地，蜂窝电话和其它移动通信设备，例如个人数字助理(PDA)、掌上电脑以及膝上型计算设备，经由无线链路连接到服务提供商。
这样的无线设备依靠天线技术来发出射频(RF)信号以进行发射(Tx)，并收集RF广播信号以进行接收(Rx)。通常，由同一天线或天线阵列执行所述发射和接收两种功能。尽管天线可能是无线系统中最重要的元件之一，但其也可能是最低效的元件之一，其通常造成较大部分的能量损失。
随着对缩小例如蜂窝电话这样的移动设备的尺寸的不断努力，人们也正在努力缩小天线的尺寸。为了进一步配合这种努力，现代的蜂窝电话可被设计为对于Tx/Rx使用双/三/四频工作。考虑到尺寸的因素，难以具有工作在每一个频带中的专用天线。例如，图1示出全球移动通信系统(GSM)850和GSM 900频带的频率范围，这两个频带一起的范围大约是824MHz到960MHz(兆赫兹)。目前，GSM是世界大多数国家的主要数字移动电话标准。如图所示，GSM 850分别对Tx和Rx使用25MHz，而GSM 900分别对Tx和Rx使用35MHz。GSM协议规定了移动电话与蜂窝塔的陆基网络进行通信的方式。因此，现代的移动通信设备需要一种能够在这样的大范围上高效工作的小型天线。
通常在蜂窝电话应用中使用的所谓微带或“贴片天线”的效率会随着其使用而显著地波动。例如，根据天线的位置或周围环境，辐射效率可能从80％下降到15％或更低。环境因素不仅包括地理地形，还包括更多动态因素，例如电话被放置在桌子上、被用户手持、靠近用户的头部、位于汽车内等。此外，对于任意给定的无线会话，当用户不断地改变电话的位置并因而改变天线的位置时，天线可能遇到所有的上述干扰。造成所述波动的主要原因可归于由来自环境的附加电容性负载所引起的天线中心频率的失调。
附图说明
图1是无线设备天线的频率响应的示意性表示，所述天线被调谐为工作在GSM 850和GSM 900范围上；
图2是用于例如蜂窝电话这样的无线设备的贴片天线的平面图；
图3是无线设备天线的频率响应的示意性表示，所述天线可动态地调谐到在GSM 850和GSM 900范围内的Tx和Rx频带的中心频率；以及
图4是动态可调天线的框图。
具体实施方式
现在参考图2，示出了可在例如蜂窝电话这样的移动设备中使用的贴片天线200。贴片天线200包括其中夹有电介质材料14的两个导电板10和12，并且可以采用与平行板电容器相类似的方式进行构造。对于天线，底部的导电板10可被称为“接地板”，而顶部的导电板12可被称为“贴片”。贴片12可包括例如铜或铝这样的薄金属片，并且可以小于接地板10且位于接地板10的中心之上。天线馈线16可连接到贴片12的一侧。接地板10、贴片12和馈线16可由相同的导电材料制成。电介质材料14可以是例如硅、氧化铝或者如FR-4这样的印刷电路板层压材料。
尽管贴片可以是任意形状，但为了简化说明，将其示为方形或矩形。可以与天线工作的频率相关地选择贴片12的尺寸，其中天线带宽与天线体积(长(L)×宽(W)×高(H)，(L×W×H))成比例。天线效率和质量或“Q值(Q-factor)”是用于衡量天线设计的两个度量。可以用符号“η”指示天线效率，其中η等于辐射功率/输入功率。Q值通常被认为是表示每震荡弧度中所存储的能量与损耗的能量的比，其可用于描述天线以及其它电感性或电容性设备。对于贴片天线，Q值取决于不仅由天线中的材料(金属和电介质)而且由天线的几何形状和其周围环境所确定的若干因素。
根据本发明的实施例，可以例如用可变MEMS电容器或可变电抗器来调谐天线的中心频率。如图3所示，天线可被调谐到GSM 850或GSM 900频带的Tx和Rx范围的中心频率。如图所示，对于GSM850，Tx的中心频率是836.5MHz，而Rx的中心频率是881.5MHz。类似地，对于GSM 900频带，Tx的中心频率是897.5MHz，而Rx的中心频率是942.5MHz。例如，通过改变电容性负载，单个天线可被调谐到甚至是不同频带中的多个中心频率。此外，即使当电容性负载随着环境而发生变化时(例如，当在使用过程中天线被移动并改变位置时)，也可以动态地调节所述调谐，以将调谐维持锁定在中心频率。
现在参考图4，示出了根据本发明实施例的示例性可调天线设计。天线20可以是如上所述的贴片天线。天线20可以包括底部的板或“接地”板10，以及上部的导电板或“贴片”12。贴片12可以包括例如铜或铝这样的薄金属片，并且可以小于接地板10且位于接地板10的中心之上。天线馈线16可连接到贴片12的一侧。
天线切换滤波器(ASF)模块22在用于发射(Tx)的低噪声放大器(LNA)24和用于接收(Rx)的功率放大器(PA)26之间切换天线20。ASF模块22、LNA 24以及PA 26可以构成例如蜂窝电话或其它无线设备的前端模块。
如前所述，天线20可被初始调谐为不同的中心频率，并且通过调节电容性负载以补偿环境负载可以实时地调节天线20以维持期望的中心频率。图4示出用于改变连到天线的电容性负载的两种可变电容模块30和32，下面将更详细说明。可变电容模块30或32连接在天线20的接地板10和贴片12之间。
控制器34连接到电容模块30或32，以选择适当的电容将天线20初始调谐到期望的中心频率，例如图3所示的频率。反馈回路36包括：传感器38，其测量辐射功率，可以是拾波线圈(pick-up coil)或定向耦合器；以及功率检测器40，其连续地测量来自天线20的近场辐射功率以提供适当的调谐校正。控制器34可以使用傅里叶变换将所检测到的近场与远场测量进行相关，以更接近地估计天线20的当前调谐频率。可选地，可将传递到天线20的功率(不必与所辐射的功率量相同)用于估计所辐射的功率，以简化监测。例如，功率放大器26可以提供与所传递的功率成比例的信号。从而，控制器34可将该信号与天线20的期望的调谐频率进行比较，以确定从期望的中心频率的漂移。然后，控制器34可以通过可变电容模块30或32来调节电容性负载。可以由控制器34来计算、或者例如由控制器34中的查找表42来获得可变电容模块30或32的适当电容，该适当电容用来产生天线20的期望的调谐。
因此，当由于例如改变主无线设备相对于周围环境的位置这样的外部因素而导致天线20不断地失调时，本发明的实施例可以连续地进行实时补偿，以保持天线20被调谐到期望的中心频率。
仍然参考图4，可以使用多种可变电容器方案。在一个实施例中，可变电容器模块30包括并行连接的一组高Q值电容器50、52、54和58，每个电容器可以具有不同的固定电容值。MEMS开关60、62、64、66或68可以分别接通或切断各个电容器50、52、54和58。MEMS开关优选为固态开关，这是因为固态开关通常为非线性器件，其会产生可干扰其它无线设备的不希望的频率边带。
如图所示，可变电容器模块30包括一组五个固定电容器50-58以及相关联的MEMS开关60-68。电容器50-58可以分别具有例如1pF(皮法)到5pF的值。通过选择MEMS开关中的一个或多个并使其闭合，可以实现宽范围的可变电容值，以便保持天线20被调谐到期望的中心频率。由于可以使用多于或少于五个电容器，因而以上所述仅作为示例，并且每个电容器的电容值可以包括与上面提供的值不同的值。
在另一实施例中，可变电容模块32可以包括可变MEMS平行板电容器70，在该可变MEMS平行板电容器中，使一个板移动以改变电容值。通过参考Ma等人的美国专利6,335,534和Cheng等人的美国专利6,593,672，可以发现不同的合适的可变MEMS电容器。如图所示，可变电容器70可以包括固定充电板72、以及通过垫片75而设置在固定充电板72上方的可移动充电板74。可以将补强板(stiffener)76固定到可移动充电板74。在工作中，当由例如控制器34将驱动电压施加到可变MEMS电容器时，引起可移动充电板72向下方弯曲，如虚线所示的可移动充电板74’。通过这种方式，MEMS电容器可以产生连续范围的可变电容值，可以选择其中的适当的值来将天线20调谐到期望的中心频率。
根据本发明的实施例，可将天线20切换到多个期望的中心频率，然后进行连续地监测和调谐以维持期望的频率，从而有助于实现更高的天线效率。在变化的环境状况下，可以有效地辐射功率而不会浪费，从而促进更长的电池寿命以及改进的范围。
对所示出的本发明实施例的以上描述、包括在摘要中的描述，并不旨在进行穷举或将本发明限制为所公开的确切形式。尽管在本文中为了说明的目的而描述了本发明的具体实施例和实例，但本领域技术人员应当清楚，在本发明的范围内存在多种等效修改。
可以根据以上的详细描述对本发明进行这些修改。不应将所附权利要求中的术语解释为将本发明限制到说明书和权利要求中公开的具体实施例。相反，本发明的范围完全由所附权利要求确定，根据所建立的权利要求解释的原则对这些权利要求进行解释。

Claims (24)

1.一种设备，包括：
天线；
可变电容器模块，其连接到所述天线；
传感器，其邻近于所述天线，用于检测天线辐射功率；以及
控制器，用于从所述传感器接收信号以改变所述可变电容器模块的电容，以便将所述天线调谐到期望的中心频率。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述天线包括贴片天线。
3.如权利要求2所述的设备，其中，所述传感器包括设置在反馈回路中的线圈和定向耦合器中的一个。
4.如权利要求1所述的设备，其中，所述可变电容器模块包括：
并行设置的多个固定电容器；以及
多个微机电系统(MEMS)开关，用于选择所述多个固定电容器中的若干个电容器。
5.如权利要求1所述的设备，其中，所述可变电容器模块包括：
固定板以及与所述固定板间隔一段距离的可弯曲板，其中，所述距离可以响应于施加到所述固定板和所述可弯曲板之间的控制电压而发生改变。
6.如权利要求3所述的设备，还包括查找表，用于确定针对于所述期望的中心频率的所述可变电容器模块的电容。
7.一种方法，包括：
通过改变可变电容器模块的电容，将天线调谐到期望的频率；
将传感器邻近所述天线放置以产生反馈信号来指示从所述期望的频率的漂移；以及
改变所述可变电容器模块的电容值，以维持所述天线被调谐到所述期望的频率。
8.如权利要求7所述的方法，其中，动态地改变所述电容值的步骤包括：
并行设置多个固定电容器；以及
驱动连接到所述多个固定电容器的所选择的微机电系统(MEMS)开关。
9.如权利要求7所述的方法，其中，动态地改变所述电容值的步骤包括：
向微机电系统(MEMS)电容器提供驱动电压，使得上层板向下层板弯曲。
10.如权利要求7所述的方法，还包括：
利用傅里叶变换将来自反馈回路的近场信号转换为远场信号。
11.如权利要求10所述的方法，还包括：
使用所述远场信号来确定驱动电压，以改变微机电系统(MEMS)电容器的所述电容器值。
12.如权利要求10所述的方法，还包括：
使用所述远场信号来确定多个微机电系统(MEMS)开关中将启动的若干开关，以改变一组并行连接的固定电容器的所述电容器值。
13.一种无线系统，包括：
功率放大器，用于向贴片天线提供发射(Tx)信号；
天线切换滤波器(ASF)，其连接以用于在所述功率放大器和低噪声放大器之间切换所述贴片天线；
可变电容器装置，用于将所述贴片天线调谐到期望的中心频率；
传感器，用于产生指示所述贴片天线的实际中心频率的反馈信号；以及
控制器，用于基于所述反馈信号选择所述可变电容器装置的电容值，以维持所述贴片天线被调谐到所述期望的中心频率。
14.如权利要求13所述的无线系统，其中，所述可变电容器装置包括：
并行设置的多个固定电容器；以及
与所述多个固定电容器中的每一个相关联的多个微机电系统(MEMS)开关。
15.如权利要求13所述的无线系统，其中，所述可变电容器装置包括：
微机电系统(MEMS)电容器，其包括固定下层板和可弯曲上层板。
16.如权利要求13所述的无线系统，其中，所述传感器包括拾波线圈和定向耦合器中的一个。
17.如权利要求13所述的无线系统，还包括与所述控制器相关联的查找表，用于选择所述可变电容器装置的电容值。
18.如权利要求13所述的无线系统，其中，所述无线系统包括蜂窝电话。
19.一种设备，包括：
天线；
可变微机电电容器装置，用于调谐所述天线的频率；
控制器，其连接到所述可变微机电电容器装置以选择电容值，以便将所述天线调谐到期望的中心频率。
20.如权利要求19所述的设备，其中，所述可变微机电电容器装置包括微机电系统(MEMS)电容器，该微机电系统电容器包括固定下层板和可弯曲上层板。
21.如权利要求19所述的设备，其中，所述可变微机电电容器装置包括：
并行设置的多个固定电容器；以及
与所述多个固定电容器中的每一个相关联的多个微机电系统(MEMS)开关。
22.如权利要求19所述的设备，还包括：
用于确定从所述天线辐射的功率电平的装置，其连接到所述控制器以确定所述天线的实时中心频率。
23.如权利要求22所述的设备，其中，所述用于确定功率电平的装置包括临近于所述天线的传感器，其设置在连到所述控制器的反馈回路中。
24.如权利要求22所述的设备，其中，所述用于确定功率电平的装置包括功率放大器，其向所述天线传送功率，并向所述控制器传送与所传送的功率成比例的信号。
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