4G和5G移動設(shè)備中天線調(diào)諧的四個關(guān)鍵要素

天線效率在智能手機(jī)的整體RF性能中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，當(dāng)前智能手機(jī)（尤其是向5G過渡）和RF設(shè)計趨勢是不斷提升天線帶寬，同時不斷縮小天線尺寸。

簡言之，天線調(diào)諧比以往更加重要。在本博客中，我們將介紹4G和5G移動設(shè)備中天線調(diào)諧的四個關(guān)鍵要素。

背景：為何需要天線調(diào)諧？

由于手機(jī)運(yùn)行所需的頻段、功能和模式的數(shù)量不斷增加，現(xiàn)代手機(jī)的RF前端（RFFE）設(shè)計也日益復(fù)雜。需要采用更多天線，使用載波聚合(CA)、4x4 MIMO、Wi-Fi MIMO和新的寬帶5G頻段來提供更高的數(shù)據(jù)速率，因此智能手機(jī)中的天線數(shù)量從4-6個增加到8個或更多。與此同時，可用于移動系統(tǒng)天線的空間縮小，導(dǎo)致天線效率降低。

通過天線調(diào)諧可以恢復(fù)一些損失性能。若不實(shí)施調(diào)諧，天線在有限的頻率范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)出色性能，但是增加天線調(diào)諧則可以在更廣泛的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的性能。

天線調(diào)諧系統(tǒng)，例如阻抗調(diào)諧器和孔徑調(diào)諧器，可以支持LTE智能手機(jī)要求的更高帶寬和載波聚合。它們使天線在整個LTE和5G頻段（從600 Mhz到5 Ghz）范圍內(nèi)都能高效工作，同時還能節(jié)省電池電量，實(shí)現(xiàn)纖薄的手機(jī)設(shè)計。

但是，實(shí)現(xiàn)天線調(diào)諧需要深入了解如何針對每個應(yīng)用運(yùn)用該技術(shù)。我們來看看這四個基本要素：

1、阻抗或孔徑調(diào)諧，哪種才是最佳方法
2、如何選擇正確的調(diào)諧組件
3、RON、COFF和消除不必要的諧振
4、孔徑調(diào)諧和載波聚合

術(shù)語表

Ca：載波聚合
COFF：斷開狀態(tài)電容
GND：接地
MIMO：多路輸入/多路輸出
PIFA：平面倒F型天線
RFFE：RF前端
RON：導(dǎo)通狀態(tài)電阻
RSE：輻射雜散發(fā)射
SP4T：單刀四擲
TIS：總?cè)蜢`敏度
TRP：總輻射功率

1、阻抗或孔徑調(diào)諧，哪種才是最佳方法

天線的輻射模式和效率取決于天線的尺寸、形狀、外殼、與金屬的接觸程度，以及接地層的形狀和大小。未調(diào)諧天線的效率低于經(jīng)過調(diào)諧的天線；相比之下，調(diào)諧天線的效率越高，意味著它具有更高的輻射功率和更大的范圍。

智能手機(jī)可以使用兩種方法進(jìn)行天線調(diào)諧—阻抗調(diào)諧和孔徑調(diào)諧—如下圖所示。

孔徑調(diào)諧從天線終端的空閑空間中優(yōu)化天線總效率，可以跨多個頻段優(yōu)化天線效率?？讖秸{(diào)諧對發(fā)射和接收通信應(yīng)用的天線效率都會產(chǎn)生很大影響，根據(jù)不同的應(yīng)用，總輻射功率（TRP）和總?cè)蜢`敏度（TIS）可提高3 dB甚至更多。

阻抗調(diào)諧最大限度地提高射頻前端與天線之間的功率傳輸，并通過最小化天線與天線前端之間的失配損耗來增加TRP和TIS。阻抗調(diào)諧還有助于補(bǔ)償環(huán)境影響，如一個人的手在智能手機(jī)上的位置。

目前，為了克服因天線面積和效率降低所導(dǎo)致的問題，手機(jī)中主要采用孔徑調(diào)諧法。中高檔智能手機(jī)使用孔徑和阻抗調(diào)諧組合方法，以支持不斷擴(kuò)大的頻段范圍，尤其是5G應(yīng)用。

2、如何選擇正確的調(diào)諧組件？

在開關(guān)和輻射元件之間添加調(diào)諧組件（電容或電感），可進(jìn)一步調(diào)節(jié)諧振頻率，以支持LTE和5G頻段。下圖顯示了開關(guān)斷開、導(dǎo)通時以及在電路中添加電感或電容時天線的諧振頻率。

選擇性能最佳的孔徑調(diào)諧開關(guān)、電容和電感非常重要。一些準(zhǔn)則包括：

調(diào)諧器開關(guān)：

·使用具有低RON和COFF的開關(guān)來最小化系統(tǒng)損耗。
·使用高線性調(diào)諧開關(guān)，避免對輻射雜散發(fā)射（RSE）和TIS產(chǎn)生影響。
·開關(guān)必須是多模式的，以調(diào)整2G/3G/4G/5G標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍。
·開關(guān)應(yīng)該能夠處理寬帶天線應(yīng)用的高射頻電壓。

調(diào)諧組件：

·使用電容值大于0.5 pF的電容，以避免使用高容差元件。
·避免使用電感值大于36nH的電感。

3、RON、COFF和消除不必要的諧振

孔徑調(diào)諧開關(guān)的兩個關(guān)鍵特性會顯著影響天線的效率：導(dǎo)通狀態(tài)電阻（RON）和斷開狀態(tài)電容（COFF）?？讖介_關(guān)在斷開狀態(tài)（COFF）下是容性開關(guān)，在導(dǎo)通狀態(tài)（RON）下則為阻性開關(guān)。如果電感連接到RF端口進(jìn)行調(diào)諧，那么COFF和電感的組合將會產(chǎn)生不必要的諧振。換句話說，當(dāng)開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)時，必然存在諧振機(jī)制。為了抑制這種諧振，調(diào)諧器開關(guān)配有一個內(nèi)部開關(guān)，可以并聯(lián)到地面。

下圖顯示，在天線和調(diào)諧組件之間連接一個SP4T調(diào)諧器開關(guān)，以便將天線調(diào)諧到不同的頻段。天線通過RF3端口連接至一個調(diào)諧電容，而其他三個端口為斷開狀態(tài)。用RON代替天線與RF3端口之間的ON狀態(tài)電阻，用COFF仿真天線和RF1、RF2和RF4端口之間的OFF狀態(tài)電容。這種接地路徑功能有助于消除由關(guān)斷開關(guān)端口產(chǎn)生的電容引起的諧振。下圖中，右下角的黑色線表示存在諧振，橙色線表示不存在諧振。

降低RON可使電感調(diào)諧和電容調(diào)諧的天線效率提高幾個dB，從而對手機(jī)的整體RF性能產(chǎn)生較大的影響。降低COFF也同樣重要。但是，根據(jù)天線調(diào)諧器的位置和電壓分布，RON和COFF影響存在差異。

4、孔徑調(diào)諧和載波聚合

CA將兩個或多個LTE載波（通常在不同的頻段中）組合起來，以增加帶寬，實(shí)現(xiàn)更高數(shù)據(jù)速率。由于手機(jī)中的天線數(shù)量有限，這通常意味著單個天線必須在兩個頻段上同時通信。

使用孔徑調(diào)諧開關(guān)有助于滿足智能手機(jī)對CA的要求：

·孔徑調(diào)諧用于支持頻段39和頻段41的CA組合（通常用于中國）。
·在每個頻率的峰值電壓點(diǎn)附近放置一個開關(guān)，可以對每個頻段進(jìn)行高效調(diào)諧，而且對另一個頻段的影響最小。
·將調(diào)諧開關(guān)放置在諧振頻率的峰值電壓點(diǎn)附近，對該頻率的調(diào)諧效果最好。