攻克復雜性障礙：下一代 SOI 天線調(diào)諧

過去十年，天線調(diào)諧技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了巨大變化。天線變得更小、性能更強，能處理更多的射頻信號。這些發(fā)展的核心是絕緣硅片 (SOI) 技術(shù)——它提供的調(diào)諧能力提高了設計靈活性，并大幅改善了性能。

復雜射頻世界中的器件性能

有時候，科技似乎在飛速發(fā)展，日新月異——產(chǎn)品變得越來越小，處理速度越來越快，我們的世界剎那間便不同以往。移動設備的天線也是如此。支持許多頻段的更小移動設備使得天線更加復雜。對于工程師而言，這種復雜性也是需要攻克的障礙。與此同時，技術(shù)開發(fā)工程師每推出一代新技術(shù)，都會做出漸進式改進，通過這種持續(xù)改善來幫助滿足更嚴格的系統(tǒng)要求。這篇博客文章介紹絕緣硅片 (SOI) 技術(shù)的進步如何讓我們的器件在復雜的射頻世界中性能更佳。

多年來，移動設備支持的頻段增長了十倍。在過去二十年左右的時間里，我們的移動設備支持 Wi-Fi、Bluetooth、GPS 頻段，當然還有蜂窩頻段。值得注意的是，自 5G 引入以來，蜂窩和 Wi-Fi 頻段開始涵蓋更高的頻率區(qū)域——3 GHz 以上，包括 5-7 GHz。如今，我們看到超寬帶和毫米波也納入其中。最新的移動設備具備支持所有這些頻段的天線，這使得設計工程師在優(yōu)化天線效率、功率和工作范圍方面面臨挑戰(zhàn)。為了應對這些設計挑戰(zhàn)，必須使用更新的 SOI 技術(shù)。

蜂窩頻段簡介

影響天線設計的一個方面是蜂窩頻譜重新分配和獲取 (re-farming and acquisitioning)。新頻段已在整個蜂窩頻譜中可用，有助于拓寬整體帶寬，并帶來提升容量和數(shù)據(jù)速度的額外優(yōu)勢。讓我們仔細看看這些低、中、高蜂窩頻段：

• 低頻段–600 MHz 至 960 MHz

  容量有限，但覆蓋面積大，具有室內(nèi)穿透性

• 中頻段–1.71 GHz 至 2.17 GHz

  容量較高，對城市地區(qū)有利

• 高頻段–2.3 GHz 至 2.69 GHz

  覆蓋范圍或工作范圍有限，但具有非常高的潛在容量

深入了解中高頻段蜂窩天線

如圖 1 所示，這種天線結(jié)構(gòu)支持低、中、高蜂窩頻段。我們使用下面的天線 PC 板布局，對兩代 SOI 技術(shù)（上一代和當前一代）進行了比較。在此應用中，我們使用三個天線調(diào)諧器：U2、U3 和 U4，以幫助針對覆蓋范圍和工作范圍調(diào)整低、中、高頻段。圖 1 還顯示了一個 4 極天線調(diào)諧器的示例框圖，其類似于此應用中使用的調(diào)諧器。

圖1：低、中、高頻段天線結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)使用三個天線調(diào)諧器，支持以下頻段：

• U2 支持中頻段和高頻段調(diào)諧

• U3 支持低頻段調(diào)諧

• U4 支持低-中-高頻段調(diào)諧

開關(guān)RON 和 COFF 回顧

孔徑調(diào)諧主要采用調(diào)諧器開關(guān)和可調(diào)諧電容。這些開關(guān)的主要品質(zhì)因數(shù)是導通狀態(tài)電阻 (RON) 和斷開狀態(tài)電容 (COFF)，如下圖所示。對于可調(diào)諧電容來說，具有寬范圍的調(diào)諧電容和良好的 Q 因數(shù)（品質(zhì)因數(shù)）至關(guān)重要。RON 和 COFF 會顯著影響天線效率。低電壓時，RON 的影響更大；高電壓時，COFF 的影響更大；采用低 RON 或低 COFF 的開關(guān)布局策略可針對不同頻率優(yōu)化調(diào)諧。（另見移動5G 設備天線調(diào)諧揭秘博客文章）

在斷開狀態(tài)，孔徑調(diào)諧器的 COFF 會影響天線上的容性負載，從而降低諧振頻率。調(diào)諧器的 COFF 越高，該頻率偏離天線固有諧振頻率的幅度就越大。

SOI 技術(shù)對比數(shù)據(jù)

為了減少 PC 板布局的代際變化，新的 SOI 天線調(diào)諧器保持引腳兼容。這有助于降低系統(tǒng)設計人員的工程成本。

關(guān)于 SOI 技術(shù)改進，當前一代調(diào)諧器改善了衡量開關(guān)導通電阻的指標 RON。衡量開關(guān)關(guān)斷狀態(tài)電容的 COFF 也有所改善。這兩個品質(zhì)因數(shù)都是決定表 1 所示天線整體效率的因素。此外，當前一代調(diào)諧器改進了低、中、高每個頻段的所有目標規(guī)格。

低、中、高頻段測量對比數(shù)據(jù)

從表 1 可以看出，在低頻段和高頻段，上一代調(diào)諧器很難滿足效率目標。這部分是由于 SOI COFF 寄生電容會產(chǎn)生損耗。使用當前一代 SOI 調(diào)諧器可降低 COFF 電容。通過每個天線調(diào)諧器開關(guān)分支的信號泄漏隨之減少。此外，當前一代調(diào)諧器的 RON 略有降低。這一改進導致開關(guān)路徑接通時的開關(guān)電阻更小。RON 和 COFF 的這些改進有助于開關(guān)隔離，減少信號損耗，并提高效率。

每代 SOI 技術(shù)的天線均需進行調(diào)諧以優(yōu)化性能。請注意，天線調(diào)諧產(chǎn)品之間的 COFF 差異會導致天線響應的頻移，這在調(diào)諧每個頻段時應予以考慮。由于這種頻移，需要對匹配電感值進行調(diào)整，使天線諧振與期望的頻段相符。

下表 1 顯示了上一代與當前一代的整體系統(tǒng)性能對比。在低、中、高各個頻段，當前一代的系統(tǒng)天線性能都有相當可觀的提高。這進一步體現(xiàn)了 SOI 技術(shù)品質(zhì)因數(shù)提高的原因。

表 1：兩代 SOI/產(chǎn)品的對比數(shù)據(jù)

新技術(shù)開發(fā)的一個共同主題就是每一代更新都會改進以前的設計。SOI 技術(shù)也是如此。每一代改進都將應用于新技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)品中。SOI 已經(jīng)存在了一段時間，并且有許多技術(shù)改進。是否在設備設計中使用最新的尖端技術(shù)，可能是產(chǎn)品成功與否的關(guān)鍵。使用當前一代 SOI 將能提供所需的天線效率，滿足最終產(chǎn)品的工作范圍、數(shù)據(jù)速度和容量要求。有關(guān)所述應用的詳細信息，請隨時通過技術(shù)支持聯(lián)系我們。

移動5G 設備天線調(diào)諧揭秘

https://www.qorvo.com/design-hub/blog/mobile-5g-device-antenna-tuning-demystified

技術(shù)支持

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關(guān)于作者 Chris Williams高級應用/ 系統(tǒng)工程師

Chris 是天線調(diào)諧技術(shù)主題專家，在設計和測試所有蜂窩頻段上工作的天線方面擁有豐富的經(jīng)驗。他負責了解客戶的天線架構(gòu)，以便 Qorvo 能夠進一步改進技術(shù)，幫助客戶應對設計挑戰(zhàn)并拓展應用領(lǐng)域。