基于mems的电磁仿生射频前端

王孝阳，杨 明

（1．61623部队，北京 100093；2．南京电讯技术研究所，江苏南京 210007）

基于mems的电磁仿生射频前端

王孝阳1，杨 明2

（1．61623部队，北京 100093；2．南京电讯技术研究所，江苏南京 210007）

针对目前应用于电磁仿生的实验基础仅限于可编程器件，尚未涉及对射频前端的处理而缺乏相互间的优化配合，影响演化效果的具体情况，提出了将基于mems的可编程射频器件引入到仿生机制和模型中解决进化计算时的优化配合问题。mems器件克服了普通射频器件体积大、功耗高的缺点，性能优越，有望在进化模型系统中得到应用。最后展望了进化原型的应用。

电磁仿生学；mems技术；电磁防护

复杂恶劣的电磁环境使传统的抗干扰和防护方式面临着新的挑战［1－3］，研究电子装备的电磁效应和防护技术是装备发展中的重要课题。基础科学的发展和突破使得电磁防护的新思路和新技术有了实现的可能和具体的平台。

基于电磁仿生思想的防护和抗干扰着眼于系统本身的自组织与自修复，将电子系统在一定条件下转化为像生物一样的自组织系统［4－6］，具有部分适应多变电磁环境的特性。这种创新性的工作依赖于智能高效的全局寻优算法和可重构器件。目前只有基于可编程模拟或逻辑器件中实现功能部分可控的“进化”，对于射频前端的进化乏善可陈，给从射频到基带的互相配合的完整进化带来困难。由于技术的进步实际上可以借助于mems器件实现射频段的“进化”，两者结合共同生成“抗扰电路”，达到一般恶劣工况下电子系统主动的“干扰免疫”目的，形成能够适应复杂电磁环境装备设计、制造等具有参考价值或指导意义的仿生防护技术，不仅如此，对于电子设备的综合一体化技术和测试一体化也具有重要意义。

1 mems射频重构

RF／MW mems是技术的一个重大突破，有望将目前的PCB板级的无线收发器构架集成为单芯片的通信系统。与MMIC结合可制造出各种类型的高性能射频器件和系统，如低损耗的传输线、可调滤波器、天线和开关等。这种微型化、高集成度组件将有可能取代目前移动通信以及相控阵天线中占很大空间的射频分立元件和组件，必然会对现代雷达和通信系统的发展产生深远影响。射频部分的重构乃至进化不仅是电磁仿生平台不可缺少的一部分，可以实现数字技术与射频器件的优化组合，进而满足电子系统更复杂的需求，而且也能应用在电子设备的综合一体化和综合测试中。要实现射频前端的可重构化，首先要实现关键器件的可重构化，包括顶选器、滤波器、放大器、VCO等等［7］。

1．1 预选滤波器的重构

一个宽带射频接收系统，几乎都是对信号盲目地不加识别地接收。战场上信号更是复杂，民用信号对侦察不可避免地也会产生影响。此时就需要有多个可独立对不同频率点进行阻隔的带阻滤波器来进行适时阻隔工作。

基于mems的可调谐滤波器体积小、功耗低，由MEMS开关、共平面CPW传输线、可变电抗元件等构成，低插损、高线性度，高Q值，有更好的三阶交调频率点功率性能。早在2003年Rockwell公司制作的基于mems可变电容的模拟可调滤波器，可调节频率范围为（225～400）MHz，通带内的插入损耗小于6．2 dB，Q值超过100。一种发夹结构的调谐滤波器，耦合线作为发夹头部的负载形成滤波器谐振器的一部分，通过U型结构的边沿耦合实现级间变压器的作用。用mems开关控制头部的负载耦合线实现滤波器调谐。Rytheon公司和Northrop Grumman公司正在分别研制（6～18）GHz，（4～20）GHz的可调滤波器。

1．2 信道增益的重构

为保证信号处理模块的正常进行，这就需要自动增益控制电路，使输出的中频信号保持在一个相对合适的幅度，不随输入信号有太大的变化。

超外差接收结构一般采用自动增益控制电路，基本都是控制中频放大器，这样即便是增益下降，噪声系数也不会受到太大的影响。但如果有很强的信号进入低噪声放大器（LNA），就很容易引起饱和失真，所以较好的方案是LNA的增益可调整。通过mems开关技术，实现LNA匹配电路的重构，从而实现增益调整，而噪声系数基本保持不变。

1．3 本振的重构

VCO虽然工作带宽比较宽，但既不能完全覆盖射频前端整个工作范围，也不能全范围内满足线性，而VCO具备可重构功能对于实现小型化和低功耗十分有利。可重构VCO可以通过调谐电容器和电感器来实现。

VCO是由片外电感和片外电压调节的变容二极管电容器的组合实现的，由mems制作的由移动的金属膜板组成的电压调节式电容器使片上二极管所存在的问题得到根本改善。已发布多种形式的微机械压控电容器，其中包括上下极板固定，中间电极可变的三极板式可变电容，其电容变化率为100%。梳状结构可调电容值变化范围达200%，利用电热形变驱动的可变电容工作电压为5 V，在1 GHz时Q值可达256。

2 应 用

2．1 电磁仿生及其平台

电子系统的功率变换过程与生物的“能量系统”具有类比性使得电磁仿生成为可能［5］。电磁仿生借助演化硬件尝试着在电子系统中将资源的快速的“被组织”与“自组织”的智能化结合，使其具备生物的多种优良特性，从而提高可靠性与适应性。宏观上，电磁仿生按照生物进化原理和方式构建研究对象，建立一种新型的仿生模式用于特定目的，系统不但应在一定程度上自行“适应”所处环境，而且能在干扰过于强烈、电路部分受损，或者在特殊需要时自动通过容错运行的方式尽可能地保持整个系统的稳定状态，触发演化机制自行调整内部结构，进行仿生修复或功能重构，使其完全＼部分恢复功能或改变功能。将生物系统的构造和生物活动的过程、机理恰当地提取并融合至电子系统，可望更好地实现、完善特定环境下电子系统的整体功能［6］。

电磁仿生属于功能仿生的一种，需要分析研究生物系统结构、性质、原理，更需要在一定的物理平台上对生物行为和功能广泛地模拟和验证，提供工程技术方面新的设计思想、工作原理和系统构成。目前电磁仿生的平台仅局限在FPGA和FPTA（SOC），未延伸到射频段，没有形成完整的电子装备仿生硬件平台，不能实现射频部分与数字电路的优化，而可重构的射频mems器件的出现恰好可以弥补。

结合mems技术特点，可将集成电路处理和mems技术结合在一起，实现几乎无损耗的开关构成一组射频前端来覆盖宽范围的频段；mems实现的高Q值的滤波器，在射频链路前端就降低了干扰电平，降低了对LNA或ADC等组件的动态范围要求。图1显示了一个基于mems的平台结构（不含发射部分）。可以看出，射频前端的器件均可以用mems器件代替，包括天线，电感、电容匹配电路，开关、高Q值滤波器，LNA器件，最后经过ADC到达基带处理器件，甚至有基于全硅mems可编程振荡器组合可代替本振，这些都可以用软件进行控制，既克服了利用传统器件的功耗高、体积大、噪声强的缺点，这些可编程重构的部分又可以在智能全局寻优算法的指引下重新配置，获得新的功能或结构，实现仿生平台的功能。

2．2 综合一体化

各种电子装备如各种顶警、跟踪制导、通信、导航系统等，在原理上都是电磁波的发射或接收过程，所不同的只是在信号带宽、信号形式和信号处理及产生的方法上。综合一体化技术可实时协调控制电子设备的工作，合理分配射频资源，提高作战效能。一体化系统用有限数量的通用模块来实现一体化系统的多种功能，避免了分立式系统中信息资源或设备资源不能共享的浪费。

图1 一种基于mems的多功能平台

实现综合一体化就要求平台在工作带宽、动态特性、灵敏度等方面综合考虑。通信、雷达、抗干扰互有渗透又各有特点，例如对于通信侦察来说，瞬时带宽的扩展必然会带来灵敏度的下降、分辨率的下降，这对于通信侦察来说是不能接受的。而接收灵敏度和动态范围之间是一对矛盾，过高的灵敏度必定导致动态范围的恶化，这两者与信道增益都有直接的关系。如果射频前端在接收模式、接收带宽、射频增益等环节可以重新构建，很多问题就可以迎刃而解［7］：1）接收模式不固定，可根据后端处理的要求重新构建通道；2）工作带宽动态调整，以适应不同类型的信号和不同的工作模式；3）自动陷波功能，以抑制强干扰信号的影响；4）各个环节的增益能自适应调整，以适应不同的电磁环境。

比如下一代战术电台可实现多频段、多模式、多功能的软件无线电，具有认知电磁环境的功能，不再依赖对通信资源的事先规划，随时提供“即插即用”的网络接入，适应网络中心战的需要。这些都可以在综合一体化的平台上按照电磁仿生的思路逐步实现。

2．3 综合测试

将mems射频前端与基带处理结合，就是把数字处理技术与射频器件优化配合，在性能会有更高的精度和速度、更大的带宽，形成一种“主动变形”式的设备，从而会有更广阔的应用发展。它会根据使用需要合理组织自身资源，根据具体环境变成任何设备。比如用于测试时，形成的测试仪器会在通用性集成功能方面带来突破。简单说就是一台多功能仪器完成以前一套测试系统的工作。例如，一台接收机同时具有频谱分析、场强分析、调制分析、噪声分析、矢量分析以及功率测试等等各项功能。同时，测试仪器要具有通用性和前瞻性，开放用户接口，给用户开发空间，从而帮助技术人员在研发中尝试新技术和方案，推动技术发展。

3 结 语

基于mems器件的特点有体积小，重量轻，性能稳定，可靠性高。体积小则几乎不受热膨胀、噪声和挠曲等因素的影响，易于与其他系统融为一体实现功能复合，具有较强的抗干扰能力，可在较差的环境中工作。功耗低，灵敏度和工作效率高，相同的工作所消耗的能量仅为传统机械的十分之一或几十分之一，而运行速度却可达其10倍以上。

基于RF／MW mems的可重构射频前端与可编程器件集成在一起，互相配合，一方面可以在智能软件的协调下共同完成对目标系统的进化研究，另一方面也可以作为一种通用的平台实现各种算法的评估与验证。尽管与严格意义上的电磁仿生尚有差距，但mems器件的小体积、低功耗、可编程等仍可用于电磁仿生的现场，以弥补在射频段的不足，与FPGA＼FPTA一起构成从射频到基带的全系统的可进化。

［1］ 刘尚合，孙国至．复杂电磁环境内涵及效应分析［J］．装备指挥技术学院学报，2008，19（1）：1－5．

［2］ 杨 洁，刘尚合．微波低噪声硅晶体管的方波电磁脉冲损伤研究［J］．高压电技术，2007，33（7）：111－114．

［3］ 谭志良，刘尚合．电子设备高功率电磁辐照效应［J］．高压电技术，2005，31（10）：33－35．

［4］ 刘尚合，褚 杰．电子系统的电磁仿生研究与进展［J］．装甲兵工程学院学报，2009，23（1）：1－5．

［5］ 李冬黎，何湘宁．仿生学在电力电子学中的应用研究［J］．电工技术学报，2002，17（1）：64－67．

［6］ 刘尚合，原 亮．电磁仿生学——电磁防护研究的新领域［J］．自然杂志，2009，31（1）：1－6．

［7］ 陶克飚，王宇光．可重构微波射频前端技术研究［J］．通信对抗，2009（2）：57－60．

TN97

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1008－1542（2011）12－0024－03

2011－06－20；责任编辑：冯 民

王孝阳（1967－），男，山东莒南人，工程师，主要从事无线通信方面的研究。