多個頻率范圍的天線調(diào)諧的分布

天線孔徑調(diào)諧對于智能手機至關(guān)重要，可保證其在不斷增加的 RF 頻段范圍內(nèi)有效運行并支持向 5G 的過渡。智能手機需要更多天線來支持不斷增長的 RF 需求，例如新的 5G 頻段、MIMO，和載波聚合（CA）等。而由于智能手機工業(yè)設(shè)計潮流的不斷變化，留給這些天線的空間越來越少；于是，天線也因此變得越來越小，潛在降低了其效率和帶寬。孔徑調(diào)諧手段允許天線在多個頻帶上有效地調(diào)諧，將 Tx 和 Rx 性能提高 3dB 以上，從而補償這一問題。

孔徑調(diào)諧通過與其它調(diào)諧組件組合的開關(guān)實現(xiàn)；具備低 RON 和低 COFF 的開關(guān)是效率最大化的關(guān)鍵。孔徑調(diào)諧還允許天線同時在多個頻段上通信以支持 CA。實施孔徑調(diào)諧需要深入了解如何將該技術(shù)用于各種應(yīng)用。

簡介

天線效率在智能手機的整體 RF 性能中起著至關(guān)重要的作用。但是，當(dāng)前的 RF 需求（尤其是即將向 5G 的過渡）和智能手機工業(yè)設(shè)計的廣泛趨勢，意味著其必須在更少的空間中安裝更多的天線。因此，天線尺寸不斷縮小，導(dǎo)致了其效率的降低。如不針對此問題進行補償，效率的降低可能會影響 Tx 和 Rx 性能，從而導(dǎo)致電池壽命縮短、數(shù)據(jù)速率降低以及連接性問題。

“對 5G 的支持致使復(fù)雜性不斷攀升，再加上工業(yè)設(shè)計方面的約束，會對天線性能產(chǎn)生負面影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)速率和電池壽命降低”

5G 手機需要更多天線以提供更快的數(shù)據(jù)速率

向 5G 的過渡意味著對更高數(shù)據(jù)速率的不斷追求，并將顯著增加每部手機中的典型天線數(shù)量。

提供較高數(shù)據(jù)速率的兩種主要技術(shù)是 CA（載波聚合）和多路輸入/多路輸出（MIMO），二者都需要同時工作的多個天線。5G 將進一步推動這一趨勢，因為其要求在大多數(shù)頻段上支持四個獨立的下行鏈路信道，需要手機至少包含四個用于無線通信的天線。

同時，很大程度上由于新 5G 頻段的引入，手機天線需要涵蓋更廣泛的頻段。5G 手機可能需要支持從較低的 600MHz 到高達 6GHz 的頻率。

為滿足這些要求并支持 Wi-Fi、GPS 和藍牙技術(shù)，天線數(shù)量將從當(dāng)前典型 LTE 手機中的 4 到 6 根，增加至 5G 智能手機中的 6 到 10 根。在有限的可用空間內(nèi)安裝所有這些天線變得越來越困難。

隨著向 5G 的過渡，天線的數(shù)量不斷增加，以支持新的頻段，以及 MIMO 和 CA 的要求

更小的天線面積

隨著制造商在工業(yè)設(shè)計上的持續(xù)革新和新功能的不斷添加，可容納天線的空間正在縮小，由此加劇了問題的嚴重性。一個關(guān)鍵的趨勢是向全屏手機的轉(zhuǎn)變；在全屏手機中，顯示屏幾乎占據(jù)了手機的整個表面，造成屏幕外用于無線通信天線的可用空間越來越少。而制造商仍不斷增加攝像頭，又進一步擠占了手機內(nèi)部空間。

需要在更少的空間中安裝更多天線意味著天線變得越來越小，天線尺寸的減小則導(dǎo)致天線效率降低。圖 2 顯示了在全屏設(shè)計中，天線效率如何隨著電話頂部的輻射元件與接地部分（位于屏幕邊緣）之間空間的縮小而降低。

全屏智能手機設(shè)計縮小了可用天線面積，從而降低天線效率。

天線數(shù)量增多，尺寸減小，這也意味著手機對因環(huán)境變化（例如手持手機的動作）而引起的瞬態(tài)效應(yīng)更加敏感。這些瞬態(tài)效應(yīng)可能包括效率降低和頻率響應(yīng)變化。

天線性能的“三角”折衷關(guān)系

所示的天線“折衷三角”顯示了天線尺寸減小對效率和帶寬的影響。如果天線尺寸保持恒定，效率可以用來換取更大的帶寬。在具有較大天線的老一代手機中，此種折衷是可以接受的，因為天線在支持更大范圍頻帶的同時仍可滿足性能要求。但隨著天線尺寸的減小，這種折衷已不再可行。采用新的全屏設(shè)計，天線只能在狹窄的頻率范圍內(nèi)達到所需的效率水平。因此，為了支持當(dāng)前手機設(shè)計所涵蓋的廣泛頻率范圍，必須調(diào)諧天線以在每個頻率上有效地工作。

天線性能的“三角”折衷關(guān)系。

孔徑調(diào)諧：通過開關(guān)進行調(diào)諧

目前，孔徑調(diào)諧是解決手機因天線面積減小和效率降低所引發(fā)問題的主要方法。使智能手機能夠支持不斷擴大的頻段范圍至關(guān)重要，特別是在向 5G 過渡的情況下。

孔徑調(diào)諧會對進行發(fā)射和接收通信的天線效率產(chǎn)生重大影響。根據(jù)不同的應(yīng)用，總輻射功率（TRP）和總?cè)蜢`敏度（TIS）可提升達 3dB 甚至更多。

天線調(diào)諧技術(shù)的概念如圖 4 所示。一個開關(guān)連接在天線和接地之間用于調(diào)整天線的諧振頻率，以匹配電話當(dāng)前用于通信的頻率。

在開關(guān)和輻射元件之間添加不同的調(diào)諧組件（電容或電感）可用于進一步調(diào)節(jié)諧振頻率，以支持不同的頻段。圖 4 顯示了當(dāng)開關(guān)斷開、導(dǎo)通，以及在電路中添加電感或電容時天線的諧振頻率。

每個組件都連接到一個簡單的開關(guān)，以闡述孔徑調(diào)諧的概念。然而，在主無線通信天線和其它一些應(yīng)用中，更復(fù)雜的多擲開關(guān)可用于連接多個調(diào)諧組件并支持更廣泛的頻帶范圍。

孔徑調(diào)諧

多個頻率范圍的天線調(diào)諧

天線具有多個固有諧振頻率，且諧波相關(guān)：例如，天線的諧振頻率可以是 900MHz、1800MHz（二階諧波）、2700MHz（三階諧波）等等。通過孔徑調(diào)諧開關(guān)來調(diào)諧每個諧振頻率，可使單個天線支持分布在非常寬的頻譜范圍內(nèi)的多個頻段。

顯示了這是如何工作的。每個諧振頻率在天線上具有不同的電壓分布。電壓模式因天線類型而異；圖 5 顯示了一個示例。

天線不同諧振頻率的電壓分布

通過將孔徑調(diào)諧開關(guān)置于其影響最大的電壓點上，可以獨立地調(diào)諧每個諧振頻率，該開關(guān)通常接近此頻率的電壓分布的頂點。

通過在天線的不同位置放置多個開關(guān)，并對每個開關(guān)使用多個調(diào)諧組件，單個無線通信天線便可支持非常廣泛的低頻、中頻和高頻頻段（圖 6）。

通過將調(diào)諧開關(guān)放置在多個位置，單個天線可以支持各種低、中和高頻頻段。

RON和COFF的重要性

孔徑調(diào)諧開關(guān)的兩個關(guān)鍵特性會顯著影響天線效率：導(dǎo)通狀態(tài)電阻（RON）和斷開狀態(tài)電容（COFF）。降低 RON 可使電感調(diào)諧和電容調(diào)諧的天線效率提高數(shù)個 dB（圖 7），從而對手機的整體 RF 性能產(chǎn)生較大影響；降低 COFF 也同樣重要。

降低 RON 對電感調(diào)諧和電容調(diào)諧效率的影響。

但是，RON 和 COFF 沿天線長度不同位置的影響會有所不同，具體取決于電壓分布。在電壓較低的情況下，低 RON 的影響最大；電壓較高時，COFF 的影響最大。策略性地放置具有較低 RON 或 COFF 的開關(guān)，可用于優(yōu)化針對不同頻率的調(diào)諧。

CA 的孔徑調(diào)諧

全球 LTE 運營商都在利用 CA 提供更高的數(shù)據(jù)速率。CA 組合了兩個或多個 LTE 載波（通常在不同頻段中）以增加帶寬。由于手機中天線的總數(shù)有限，這通常意味著單個天線必須在兩個頻段上同時通信。

精心放置的孔徑調(diào)諧開關(guān)可以滿足這一要求。如前所述，將調(diào)諧開關(guān)置于諧振頻率的峰值電壓附近對該頻率具有最大的調(diào)諧效果。相反，將調(diào)諧器置于諧振頻率的零電壓處則幾乎沒有調(diào)諧效果。在靠近第一個諧振頻率的峰值電壓處放置一個開關(guān)使其同時位于第二個諧振頻率零電壓點，便可在不影響第二個頻率的情況下調(diào)諧第一個頻率。

顯示了用于支持中國常用的頻段 39 和頻段 41 組合的孔徑調(diào)諧技術(shù)。在每個頻段的峰值電壓附近放置一個開關(guān)，可以在對另一個頻段影響最小的情況下對每個頻段實現(xiàn)高效調(diào)諧。

針對 CA 的孔徑調(diào)諧；在每個諧振頻率的電壓峰值附近放置一個開關(guān)，允許在對另一個頻段影響最小的情況下對每個頻段進行高效調(diào)諧。

結(jié)論

孔徑調(diào)諧是助力當(dāng)今智能手機支持不斷增長的頻段范圍的關(guān)鍵。它顯著提高了 Tx 和 Rx 性能，克服了手機工業(yè)設(shè)計演進帶來的挑戰(zhàn)，使其能夠滿足日益復(fù)雜的 RF 需求。有效實施孔徑調(diào)諧需要大量相關(guān)專業(yè)知識，用以優(yōu)化各種應(yīng)用。天線數(shù)量的增加也意味著孔徑調(diào)諧解決方案必須很小才能適應(yīng)不斷縮小的可用空間。

Qorvo 是孔徑調(diào)諧領(lǐng)域公認的市場領(lǐng)導(dǎo)者，在幫助領(lǐng)先廠商采用孔徑調(diào)諧技術(shù)實現(xiàn)其目標(biāo)方面擁有豐富經(jīng)驗。Qorvo 廣泛的高度緊湊型解決方案產(chǎn)品組合提供了超低 COFF 和低 RON 的組合，以打造最佳性能。

關(guān)于作者

Abhinay Kuchikulla 擔(dān)任 Qorvo 高級營銷經(jīng)理，負責(zé)天線調(diào)諧器的產(chǎn)品策略與方向；深厚的技術(shù)背景使他能夠為 Qorvo 帶來強大支持，理解并有效解決客戶問題。他致力于新產(chǎn)品定義并管理其開發(fā)，及時將最佳解決方案推向市場，并滿足客戶未來的RF要求。2016 年，其因在 Qorvo 調(diào)諧器開發(fā)業(yè)務(wù)領(lǐng)域的杰出成就而被授予年度營銷人物獎。Abhinay Kuchikulla 于 2004 年從堪薩斯大學(xué)電氣工程專業(yè)獲得碩士學(xué)位，并在 2013 年獲得工程管理專業(yè)的碩士學(xué)位。
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