基于mems的電磁仿生射頻前端

王孝陽，楊 明

（1．61623部隊，北京 100093；2．南京電訊技術(shù)研究所，江蘇南京 210007）

基于mems的電磁仿生射頻前端

王孝陽1，楊 明2

（1．61623部隊，北京 100093；2．南京電訊技術(shù)研究所，江蘇南京 210007）

針對目前應(yīng)用于電磁仿生的實驗基礎(chǔ)僅限于可編程器件，尚未涉及對射頻前端的處理而缺乏相互間的優(yōu)化配合，影響演化效果的具體情況，提出了將基于mems的可編程射頻器件引入到仿生機制和模型中解決進化計算時的優(yōu)化配合問題。mems器件克服了普通射頻器件體積大、功耗高的缺點，性能優(yōu)越，有望在進化模型系統(tǒng)中得到應(yīng)用。最后展望了進化原型的應(yīng)用。

電磁仿生學(xué)；mems技術(shù)；電磁防護

復(fù)雜惡劣的電磁環(huán)境使傳統(tǒng)的抗干擾和防護方式面臨著新的挑戰(zhàn)［1－3］，研究電子裝備的電磁效應(yīng)和防護技術(shù)是裝備發(fā)展中的重要課題。基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展和突破使得電磁防護的新思路和新技術(shù)有了實現(xiàn)的可能和具體的平臺。

基于電磁仿生思想的防護和抗干擾著眼于系統(tǒng)本身的自組織與自修復(fù)，將電子系統(tǒng)在一定條件下轉(zhuǎn)化為像生物一樣的自組織系統(tǒng)［4－6］，具有部分適應(yīng)多變電磁環(huán)境的特性。這種創(chuàng)新性的工作依賴于智能高效的全局尋優(yōu)算法和可重構(gòu)器件。目前只有基于可編程模擬或邏輯器件中實現(xiàn)功能部分可控的“進化”，對于射頻前端的進化乏善可陳，給從射頻到基帶的互相配合的完整進化帶來困難。由于技術(shù)的進步實際上可以借助于mems器件實現(xiàn)射頻段的“進化”，兩者結(jié)合共同生成“抗擾電路”，達到一般惡劣工況下電子系統(tǒng)主動的“干擾免疫”目的，形成能夠適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境裝備設(shè)計、制造等具有參考價值或指導(dǎo)意義的仿生防護技術(shù)，不僅如此，對于電子設(shè)備的綜合一體化技術(shù)和測試一體化也具有重要意義。

1 mems射頻重構(gòu)

RF／MW mems是技術(shù)的一個重大突破，有望將目前的PCB板級的無線收發(fā)器構(gòu)架集成為單芯片的通信系統(tǒng)。與MMIC結(jié)合可制造出各種類型的高性能射頻器件和系統(tǒng)，如低損耗的傳輸線、可調(diào)濾波器、天線和開關(guān)等。這種微型化、高集成度組件將有可能取代目前移動通信以及相控陣天線中占很大空間的射頻分立元件和組件，必然會對現(xiàn)代雷達和通信系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。射頻部分的重構(gòu)乃至進化不僅是電磁仿生平臺不可缺少的一部分，可以實現(xiàn)數(shù)字技術(shù)與射頻器件的優(yōu)化組合，進而滿足電子系統(tǒng)更復(fù)雜的需求，而且也能應(yīng)用在電子設(shè)備的綜合一體化和綜合測試中。要實現(xiàn)射頻前端的可重構(gòu)化，首先要實現(xiàn)關(guān)鍵器件的可重構(gòu)化，包括頂選器、濾波器、放大器、VCO等等［7］。

1．1 預(yù)選濾波器的重構(gòu)

一個寬帶射頻接收系統(tǒng)，幾乎都是對信號盲目地不加識別地接收。戰(zhàn)場上信號更是復(fù)雜，民用信號對偵察不可避免地也會產(chǎn)生影響。此時就需要有多個可獨立對不同頻率點進行阻隔的帶阻濾波器來進行適時阻隔工作。

基于mems的可調(diào)諧濾波器體積小、功耗低，由MEMS開關(guān)、共平面CPW傳輸線、可變電抗元件等構(gòu)成，低插損、高線性度，高Q值，有更好的三階交調(diào)頻率點功率性能。早在2003年Rockwell公司制作的基于mems可變電容的模擬可調(diào)濾波器，可調(diào)節(jié)頻率范圍為（225～400）MHz，通帶內(nèi)的插入損耗小于6．2 dB，Q值超過100。一種發(fā)夾結(jié)構(gòu)的調(diào)諧濾波器，耦合線作為發(fā)夾頭部的負載形成濾波器諧振器的一部分，通過U型結(jié)構(gòu)的邊沿耦合實現(xiàn)級間變壓器的作用。用mems開關(guān)控制頭部的負載耦合線實現(xiàn)濾波器調(diào)諧。Rytheon公司和Northrop Grumman公司正在分別研制（6～18）GHz，（4～20）GHz的可調(diào)濾波器。

1．2 信道增益的重構(gòu)

為保證信號處理模塊的正常進行，這就需要自動增益控制電路，使輸出的中頻信號保持在一個相對合適的幅度，不隨輸入信號有太大的變化。

超外差接收結(jié)構(gòu)一般采用自動增益控制電路，基本都是控制中頻放大器，這樣即便是增益下降，噪聲系數(shù)也不會受到太大的影響。但如果有很強的信號進入低噪聲放大器（LNA），就很容易引起飽和失真，所以較好的方案是LNA的增益可調(diào)整。通過mems開關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)LNA匹配電路的重構(gòu)，從而實現(xiàn)增益調(diào)整，而噪聲系數(shù)基本保持不變。

1．3 本振的重構(gòu)

VCO雖然工作帶寬比較寬，但既不能完全覆蓋射頻前端整個工作范圍，也不能全范圍內(nèi)滿足線性，而VCO具備可重構(gòu)功能對于實現(xiàn)小型化和低功耗十分有利?？芍貥?gòu)VCO可以通過調(diào)諧電容器和電感器來實現(xiàn)。

VCO是由片外電感和片外電壓調(diào)節(jié)的變?nèi)荻O管電容器的組合實現(xiàn)的，由mems制作的由移動的金屬膜板組成的電壓調(diào)節(jié)式電容器使片上二極管所存在的問題得到根本改善。已發(fā)布多種形式的微機械壓控電容器，其中包括上下極板固定，中間電極可變的三極板式可變電容，其電容變化率為100%。梳狀結(jié)構(gòu)可調(diào)電容值變化范圍達200%，利用電熱形變驅(qū)動的可變電容工作電壓為5 V，在1 GHz時Q值可達256。

2 應(yīng) 用

2．1 電磁仿生及其平臺

電子系統(tǒng)的功率變換過程與生物的“能量系統(tǒng)”具有類比性使得電磁仿生成為可能［5］。電磁仿生借助演化硬件嘗試著在電子系統(tǒng)中將資源的快速的“被組織”與“自組織”的智能化結(jié)合，使其具備生物的多種優(yōu)良特性，從而提高可靠性與適應(yīng)性。宏觀上，電磁仿生按照生物進化原理和方式構(gòu)建研究對象，建立一種新型的仿生模式用于特定目的，系統(tǒng)不但應(yīng)在一定程度上自行“適應(yīng)”所處環(huán)境，而且能在干擾過于強烈、電路部分受損，或者在特殊需要時自動通過容錯運行的方式盡可能地保持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，觸發(fā)演化機制自行調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進行仿生修復(fù)或功能重構(gòu)，使其完全＼部分恢復(fù)功能或改變功能。將生物系統(tǒng)的構(gòu)造和生物活動的過程、機理恰當?shù)靥崛〔⑷诤现岭娮酉到y(tǒng)，可望更好地實現(xiàn)、完善特定環(huán)境下電子系統(tǒng)的整體功能［6］。

電磁仿生屬于功能仿生的一種，需要分析研究生物系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、原理，更需要在一定的物理平臺上對生物行為和功能廣泛地模擬和驗證，提供工程技術(shù)方面新的設(shè)計思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成。目前電磁仿生的平臺僅局限在FPGA和FPTA（SOC），未延伸到射頻段，沒有形成完整的電子裝備仿生硬件平臺，不能實現(xiàn)射頻部分與數(shù)字電路的優(yōu)化，而可重構(gòu)的射頻mems器件的出現(xiàn)恰好可以彌補。

結(jié)合mems技術(shù)特點，可將集成電路處理和mems技術(shù)結(jié)合在一起，實現(xiàn)幾乎無損耗的開關(guān)構(gòu)成一組射頻前端來覆蓋寬范圍的頻段；mems實現(xiàn)的高Q值的濾波器，在射頻鏈路前端就降低了干擾電平，降低了對LNA或ADC等組件的動態(tài)范圍要求。圖1顯示了一個基于mems的平臺結(jié)構(gòu)（不含發(fā)射部分）?？梢钥闯?，射頻前端的器件均可以用mems器件代替，包括天線，電感、電容匹配電路，開關(guān)、高Q值濾波器，LNA器件，最后經(jīng)過ADC到達基帶處理器件，甚至有基于全硅mems可編程振蕩器組合可代替本振，這些都可以用軟件進行控制，既克服了利用傳統(tǒng)器件的功耗高、體積大、噪聲強的缺點，這些可編程重構(gòu)的部分又可以在智能全局尋優(yōu)算法的指引下重新配置，獲得新的功能或結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)仿生平臺的功能。

2．2 綜合一體化

各種電子裝備如各種頂警、跟蹤制導(dǎo)、通信、導(dǎo)航系統(tǒng)等，在原理上都是電磁波的發(fā)射或接收過程，所不同的只是在信號帶寬、信號形式和信號處理及產(chǎn)生的方法上。綜合一體化技術(shù)可實時協(xié)調(diào)控制電子設(shè)備的工作，合理分配射頻資源，提高作戰(zhàn)效能。一體化系統(tǒng)用有限數(shù)量的通用模塊來實現(xiàn)一體化系統(tǒng)的多種功能，避免了分立式系統(tǒng)中信息資源或設(shè)備資源不能共享的浪費。

圖1 一種基于mems的多功能平臺

實現(xiàn)綜合一體化就要求平臺在工作帶寬、動態(tài)特性、靈敏度等方面綜合考慮。通信、雷達、抗干擾互有滲透又各有特點，例如對于通信偵察來說，瞬時帶寬的擴展必然會帶來靈敏度的下降、分辨率的下降，這對于通信偵察來說是不能接受的。而接收靈敏度和動態(tài)范圍之間是一對矛盾，過高的靈敏度必定導(dǎo)致動態(tài)范圍的惡化，這兩者與信道增益都有直接的關(guān)系。如果射頻前端在接收模式、接收帶寬、射頻增益等環(huán)節(jié)可以重新構(gòu)建，很多問題就可以迎刃而解［7］：1）接收模式不固定，可根據(jù)后端處理的要求重新構(gòu)建通道；2）工作帶寬動態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)不同類型的信號和不同的工作模式；3）自動陷波功能，以抑制強干擾信號的影響；4）各個環(huán)節(jié)的增益能自適應(yīng)調(diào)整，以適應(yīng)不同的電磁環(huán)境。

比如下一代戰(zhàn)術(shù)電臺可實現(xiàn)多頻段、多模式、多功能的軟件無線電，具有認知電磁環(huán)境的功能，不再依賴對通信資源的事先規(guī)劃，隨時提供“即插即用”的網(wǎng)絡(luò)接入，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的需要。這些都可以在綜合一體化的平臺上按照電磁仿生的思路逐步實現(xiàn)。

2．3 綜合測試

將mems射頻前端與基帶處理結(jié)合，就是把數(shù)字處理技術(shù)與射頻器件優(yōu)化配合，在性能會有更高的精度和速度、更大的帶寬，形成一種“主動變形”式的設(shè)備，從而會有更廣闊的應(yīng)用發(fā)展。它會根據(jù)使用需要合理組織自身資源，根據(jù)具體環(huán)境變成任何設(shè)備。比如用于測試時，形成的測試儀器會在通用性集成功能方面帶來突破。簡單說就是一臺多功能儀器完成以前一套測試系統(tǒng)的工作。例如，一臺接收機同時具有頻譜分析、場強分析、調(diào)制分析、噪聲分析、矢量分析以及功率測試等等各項功能。同時，測試儀器要具有通用性和前瞻性，開放用戶接口，給用戶開發(fā)空間，從而幫助技術(shù)人員在研發(fā)中嘗試新技術(shù)和方案，推動技術(shù)發(fā)展。

3 結(jié) 語

基于mems器件的特點有體積小，重量輕，性能穩(wěn)定，可靠性高。體積小則幾乎不受熱膨脹、噪聲和撓曲等因素的影響，易于與其他系統(tǒng)融為一體實現(xiàn)功能復(fù)合，具有較強的抗干擾能力，可在較差的環(huán)境中工作。功耗低，靈敏度和工作效率高，相同的工作所消耗的能量僅為傳統(tǒng)機械的十分之一或幾十分之一，而運行速度卻可達其10倍以上。

基于RF／MW mems的可重構(gòu)射頻前端與可編程器件集成在一起，互相配合，一方面可以在智能軟件的協(xié)調(diào)下共同完成對目標系統(tǒng)的進化研究，另一方面也可以作為一種通用的平臺實現(xiàn)各種算法的評估與驗證。盡管與嚴格意義上的電磁仿生尚有差距，但mems器件的小體積、低功耗、可編程等仍可用于電磁仿生的現(xiàn)場，以彌補在射頻段的不足，與FPGA＼FPTA一起構(gòu)成從射頻到基帶的全系統(tǒng)的可進化。

［1］ 劉尚合，孫國至．復(fù)雜電磁環(huán)境內(nèi)涵及效應(yīng)分析［J］．裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008，19（1）：1－5．

［2］ 楊 潔，劉尚合．微波低噪聲硅晶體管的方波電磁脈沖損傷研究［J］．高壓電技術(shù)，2007，33（7）：111－114．

［3］ 譚志良，劉尚合．電子設(shè)備高功率電磁輻照效應(yīng)［J］．高壓電技術(shù)，2005，31（10）：33－35．

［4］ 劉尚合，褚 杰．電子系統(tǒng)的電磁仿生研究與進展［J］．裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報，2009，23（1）：1－5．

［5］ 李冬黎，何湘寧．仿生學(xué)在電力電子學(xué)中的應(yīng)用研究［J］．電工技術(shù)學(xué)報，2002，17（1）：64－67．

［6］ 劉尚合，原 亮．電磁仿生學(xué)——電磁防護研究的新領(lǐng)域［J］．自然雜志，2009，31（1）：1－6．

［7］ 陶克飚，王宇光．可重構(gòu)微波射頻前端技術(shù)研究［J］．通信對抗，2009（2）：57－60．

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1008－1542（2011）12－0024－03

2011－06－20；責任編輯：馮 民

王孝陽（1967－），男，山東莒南人，工程師，主要從事無線通信方面的研究。