阻抗失配在天線孔徑調(diào)諧器測試中帶來的福利

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提起反射，射頻工程師都希望越小越好，如果可以實現(xiàn)，巴不得將VSWR做到1:1，這樣不僅可以提高功率傳輸效率，同時還能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。盡管如此，在射頻測試中有時需要阻抗失配來達到所需要的測試條件。大家最熟悉的應(yīng)用莫過于源和負載牽引了，通過改變阻抗得到不同的性能，在LNA和PA設(shè)計中應(yīng)用頗多。

不過，今天要給大家分享的不是源和負載牽引方面的內(nèi)容，而是阻抗失配在天線孔徑調(diào)諧器(Antenna Aperture Tuner)測試中帶來的福利。

什么是天線孔徑調(diào)諧器？

自從進入移動終端4G時代，BOM表上便出現(xiàn)了一種新型器件——天線調(diào)諧器，這種器件主要用于調(diào)諧天線工作頻段，同時兼顧天線的效率，業(yè)界通常稱之為孔徑調(diào)諧(Aperture Tuning)。目前天線孔徑調(diào)諧技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于4G/5G移動終端設(shè)備，尤其對于低頻段的調(diào)諧，效果更加明顯。

為了方便，下面統(tǒng)一使用Tuner代指天線孔徑調(diào)諧器。

本質(zhì)上講，Tuner就相當于一個射頻開關(guān)，如圖1所示，只是其公共端接地。Tuner是怎么調(diào)諧天線工作頻段的呢？

諧振頻率的調(diào)諧還是要靠電容或電感等器件，由于移動終端的天線凈空區(qū)越來越小，為了保證一定的天線效率，天線的尺寸需要做小一點，但諧振頻率就偏了，借助于電容或電感等調(diào)諧器件，便可以諧振在期望的頻點上，這就是天線孔徑調(diào)諧的思路，Tuner也是在這種情況下應(yīng)運而生的。

圖1. 典型的Antenna Tuner示意圖

值得一提的是，Tuner是直接作用于天線結(jié)構(gòu)上的，并不是位于天線饋電口之前的鏈路上，這意味著Tuner就是天線的一部分，借助于調(diào)諧部件改變的是天線本身的性能。

圖2. Antenna Tuner的應(yīng)用示意圖

為什么反射有助于Tuner 測試 ？

需要說明的是，只是對于Tuner個別參數(shù)的測試，在存在反射的情況下會更容易。

Tuner的主要測試參數(shù)包括導(dǎo)通電阻、關(guān)斷電容、隔離度、諧波及峰值耐壓等，除峰值耐壓外，其它參數(shù)都屬于常規(guī)參數(shù)，那么峰值耐壓是一個什么樣的參數(shù)，其特殊之處在哪里呢？

在印象里，貌似很少關(guān)注RF Switch的峰值耐壓這個參數(shù)，因為RF Switch通常都是位于信號鏈路上，而移動終端的傳導(dǎo)功率通常也不會超過500mW，承受這么大的功率還是輕而易舉的，為什么Tuner會關(guān)注這個參數(shù)呢？

原因在于Tuner的使用位置，前面已經(jīng)提到，Tuner是直接應(yīng)用于天線結(jié)構(gòu)上的，而作為一個諧振單元，一方面諧振時形成的駐波電壓要比傳導(dǎo)功率對應(yīng)的電壓大很多，另一方面，天線不同位置的駐波電壓差異也是非常大的，為了使得Tuner能夠應(yīng)用于天線任何位置，所以對其耐受電壓提出了比較高的要求。

峰值耐受電壓的判定也是有標準的，當產(chǎn)生的諧波不超過限值時的臨界電壓，即為Tuner的峰值耐受電壓。諧波具體限值可以參考3GPP相關(guān)標準，此處不再贅述。

有些廠家的Tuner峰值耐壓可以達到60V甚至更高，對應(yīng)的射頻功率可以達到+46dBm。如果要提供這么高的射頻功率，就需要一個高功率放大器，增加了測試難度和系統(tǒng)不穩(wěn)定性。有沒有更合適的方法？

當然有，就是通過在Tuner輸出端阻抗失配引起反射，從而形成一定的駐波。有的位置駐波電壓高，有的位置駐波電壓低，當通過調(diào)整反射系數(shù)的幅度和相位，使得Tuner處的駐波電壓達到最大、同時又是測試所期望的加載電壓值，這就是峰值耐壓測試的思路。

圖3和圖4的信息量較大，以雙導(dǎo)線為例，分別給出了末端處在不同的反射時，沿線形成的駐波情況，其中圖3是末端VSWR不同、相位為0°時的駐波波形，圖4是VSWR相同、相位不同時的駐波波形。

通過這種方式，當達到一定的加載電壓時，所需要的射頻功率會更低。當駐波比設(shè)置為6:1時，如果要產(chǎn)生60V的加載電壓，具體需要多少射頻功率，請大家按照如下公式自己計算一下吧，有問題可以留言~~

圖3. 不同VSWR形成的駐波波形(Phase=0°)

圖4. 相同VSWR、不同Phase時的駐波波形

如何調(diào)整反射系數(shù)的幅度和相位呢？這就要借助于阻抗調(diào)諧器，通過改變阻抗調(diào)諧器中滑塊的耦合強弱及位置，便可以實現(xiàn)反射系數(shù)的調(diào)整。當然，測試之前需要使用矢網(wǎng)對反射系數(shù)進行校準。阻抗調(diào)諧器并不在本文介紹的范圍之內(nèi)，后面有機會再給大家分享。