更高的數(shù)據(jù)速率意味著更多的天線

為使智能手機(jī)在不斷增加的 RF 頻段范圍內(nèi)高效工作并支持向 5G 過渡，天線孔徑調(diào)諧至關(guān)重要。智能手機(jī)需要更多天線來支持不斷增加的 RF 要求（例如新的 5G 頻段、MIMO 和載波聚合），但是由于智能手機(jī)工業(yè)設(shè)計(jì)的變化，提供給這些天線的可用空間卻很小。因此，天線變得越來越小，這可能會降低天線的效率和帶寬。

利用孔徑調(diào)諧技術(shù)可以解決這一問題，通過對天線進(jìn)行調(diào)諧，就能夠在多個頻段高效運(yùn)行，并使 Tx 和 Rx 的性能提高 3 dB?？讖秸{(diào)諧通過可調(diào)諧電容或調(diào)諧器開關(guān)配合調(diào)諧組件來實(shí)現(xiàn)；低 RON 和低 COFF 的開關(guān)是獲得最大效率的關(guān)鍵所在?？讖秸{(diào)諧技術(shù)還支持天線同時在多個頻段通信以支持載波聚合。實(shí)現(xiàn)孔徑調(diào)諧需要深入了解如何針對每個應(yīng)用運(yùn)用該技術(shù)。

//引言//

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)前的 RF 需求（尤其是即將過渡至 5G）以及智能手機(jī)工業(yè)設(shè)計(jì)的廣泛趨勢，意味著智能手機(jī)必須要將更多的天線安裝到更小的空間內(nèi)。

因此，天線尺寸不斷縮小，這會降低天線效率。如果不解決這個問題，效率降低會影響發(fā)送 (Tx) 和接收 (Rx) 性能，從而導(dǎo)致電池續(xù)航時間縮短、數(shù)據(jù)速率降低以及出現(xiàn)連接問題。

更高的數(shù)據(jù)速率意味著更多的天線

向 5G 過渡意味著不斷提高數(shù)據(jù)速率，這將使每部手機(jī)中的天線數(shù)量大幅增加。

實(shí)現(xiàn)更高數(shù)據(jù)速率的兩項(xiàng)主要技術(shù)為載波聚合 (CA) 和多輸入多輸出 (MIMO)，它們都需要多個天線同時運(yùn)行。5G 將進(jìn)一步推動這一趨勢，因?yàn)?5G 要求支持四個獨(dú)立的下行信道同時接收大多數(shù)頻段的信號。它還要求手機(jī)帶有至少四個可用于移動通信的天線。

與此同時，手機(jī)天線需要支持更寬的頻段范圍，這在很大程度上是由于引入了新的 5G 頻段。5G 手機(jī)可能需要支持低至 600 MHz 到高達(dá) 6 GHz 的頻率范圍。

為了支持這些要求以及 Wi-Fi、GPS 與藍(lán)牙，天線的典型數(shù)量將從如今 LTE 手機(jī)中的 4-6 個增加到 5G 智能手機(jī)中的 6-10 個（圖 1）。將所有這些天線安裝到有限的可用空間變得愈發(fā)困難。

更多更小的天線面積=更嚴(yán)峻挑戰(zhàn)

圖 1. 隨著向 5G 過渡，為了支持新的頻段以及 MIMO 和 CA 的要求，天線數(shù)量不斷增

1、天線面積減少

隨著制造商改變工業(yè)設(shè)計(jì)和不斷增加新功能，天線的可用空間不斷縮小，這個問題愈發(fā)嚴(yán)重。其中一項(xiàng)重大變化是改用全屏手機(jī)，顯示屏幾乎占據(jù)了手機(jī)的整個正面；因此，在屏幕之外可供天線使用的空間更少。制造商還增加了更多的攝像頭，使手機(jī)內(nèi)的可用空間進(jìn)一步縮小。

要將更多的天線安裝到更小的空間內(nèi)意味著天線變得越來越小，天線尺寸縮小將導(dǎo)致天線效率降低。圖 2 顯示采用全屏設(shè)計(jì)時，天線效率如何隨著手機(jī)頂部的輻射元件與地（位于屏幕邊緣）之間的距離縮小而降低。

天線數(shù)量更多且尺寸更小，還意味著手機(jī)對其環(huán)境變化（例如手握電話的位置）引起的瞬態(tài)效應(yīng)更敏感。這些瞬態(tài)效應(yīng)可能包括效率降低和頻率響應(yīng)漂移。

2、理想天線的仿真性能

圖 2. 全屏智能手機(jī)設(shè)計(jì)使天線的可用面積縮小、效率降低。

3、天線性能權(quán)衡三角形

圖 3 的天線“權(quán)衡三角形”顯示了天線尺寸縮小對效率和帶寬的影響。如果天線尺寸保持不變，則可以通過犧牲效率以換取更寬的帶寬。

在天線尺寸較大的上一代手機(jī)中，這種權(quán)衡方案可能還是可以接受的，因?yàn)樘炀€仍然既能滿足性能要求，同時還支持更寬的頻段范圍。但隨著天線尺寸縮小，這種權(quán)衡方案就行不通了；在新的全屏設(shè)計(jì)中，天線只能在較窄的頻率范圍內(nèi)達(dá)到所需的效率水平。

因此，為了滿足目前手機(jī)設(shè)計(jì)需支持的寬頻率范圍，必須進(jìn)行天線調(diào)諧，以便在每個頻率均實(shí)現(xiàn)高效工作。

圖 3. 天線性能權(quán)衡三角形

孔徑調(diào)諧：開關(guān)調(diào)諧

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。隨著向 5G 過渡，使智能手機(jī)支持不斷擴(kuò)大的頻段范圍至關(guān)重要。

孔徑調(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。

天線調(diào)諧概念如圖 4 所示。在天線和地之間連接一個開關(guān)，用來調(diào)節(jié)天線的諧振頻率，以匹配手機(jī)通信當(dāng)前使用的頻率。

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），可進(jìn)一步調(diào)節(jié)諧振頻率，以支持不同的頻段。圖 4 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。

為了說明孔徑調(diào)諧的概念，圖 4 中的每個組件都連接至一個簡單的開關(guān)。然而，在一些應(yīng)用中（例如主手機(jī)天線），可以使用更復(fù)雜的多擲開關(guān)來連接多個調(diào)諧組件，支持更寬的頻段范圍。

圖 4. 孔徑調(diào)諧

1、選擇合適的調(diào)諧組件

選擇合適的調(diào)諧組件非常重要。例如，最好避免使用超過 36 nH 的電感，因?yàn)槠渥灾C振頻率較低。此外，由于 PC 板布局引起的寄生效應(yīng)會進(jìn)一步降低電感的自諧振頻率，使諧振處于蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻率范圍內(nèi)。

使用低于 0.5 pF 的電容值很可能意味著選擇的組件具有高容差。然而，高容差電容會導(dǎo)致電容值的變化超出預(yù)期，從而產(chǎn)生調(diào)諧和效率問題。

2、布局和設(shè)計(jì)指南

在設(shè)計(jì) RF 系統(tǒng)和添加天線孔徑電路時，必須要考慮寄生效應(yīng)。在考慮電路布局時了解會產(chǎn)生寄生效應(yīng)的位置非常重要，因?yàn)樗鼈儠?dǎo)致諧振頻率的損失與變化。

在進(jìn)行手機(jī)的 PC 板布局時，需要考慮焊盤尺寸和焊盤形狀，因?yàn)楹副P或走線布局不當(dāng)會增加寄生電容和電感。

考慮重點(diǎn)：

1減少短接，因?yàn)樗鼈兛赡軐?dǎo)致信號完整性問題。2減少走線寬度突然變化的設(shè)計(jì)，例如 90 度彎曲。最好采用平滑過渡的方式。（參見圖 5）3優(yōu)化焊盤尺寸和位置，因?yàn)樗鼈儠黾蛹纳娙荨?盡可能使孔徑調(diào)諧器和 RF 天線饋電點(diǎn)之間的距離最小，以最大限度地減小寄生效應(yīng)對天線響應(yīng)的影響。5創(chuàng)建良好的 RF 反向電流路徑。接地端靠近天線時會降低天線效率，應(yīng)格外小心。6

針對每個接地連接使用一個或多個專用過孔，以最大限度地減小對地電感。

–將過孔放在接地焊盤中并用環(huán)氧樹脂進(jìn)行填充。

–使用一個或多個過孔來降低電感和電阻。

7確保通過低阻抗路徑將接地路徑連接到電路板地。這能最大限度地減少噪聲耦合并改善調(diào)諧器的線性度。8在所有 RF 組件周圍提供足夠的離地間隙。盡量不要將地靠近 RF 端口放置，因?yàn)檫@會增加寄生電容。（參見圖 6）9避免在調(diào)諧器下布局電源走線和控制走線，因?yàn)閬碜噪娫淳€和控制線的噪聲會耦合到天線上。在孔徑調(diào)諧器和可能產(chǎn)生噪音的所有電源線和控制線之間使用接地層。10長度超過 5 mm 的電源線走線需使用鐵氧體磁珠或扼流圈。

圖 6. 電感與地和組件。

避免：

? 對 RF 連接使用熱阻。

? RF 走線路由經(jīng)過多層。這會使走線阻抗失真并增加通過走線的反射功率和插入損耗。

? 在調(diào)諧器以及連接開關(guān)和天線的 RF 走線下方或周圍放置懸浮接地層。

3、調(diào)諧天線以支持多個頻率范圍

一個天線擁有多個固有諧振頻率。它們之間為諧波關(guān)系：例如，天線的諧振頻率可以是 900 MHz、1800 MHz（二次諧波）、2700 MHz（三次諧波）等。使用孔徑調(diào)諧開關(guān)對這些頻率中的每一個頻率進(jìn)行調(diào)諧，單個天線就能夠支持分布在非常寬的頻譜范圍內(nèi)的多個頻段。

圖 7 顯示了這一工作原理。每個諧振頻率沿天線具有不同的電壓分布。電壓分布模式隨天線類型而不同；圖 7 顯示了一個示例。

圖 7. 一個天線在不同諧振頻率下的電壓分

可針對這些諧振頻率中的每個頻率獨(dú)立調(diào)諧，只需將孔徑調(diào)諧開關(guān)放置在效用最大的位置，它通常是在該頻率下電壓分布的最高點(diǎn)附近。

只需沿天線的不同位置放置多個開關(guān)，并使用多個調(diào)諧組件搭配每個開關(guān)，單個手機(jī)天線就能夠支持非常寬范圍的低頻段、中頻段和高頻段（圖 8）。

圖 8. 在多個位置放置調(diào)諧開關(guān)，單個天線就能夠支持寬范圍的低頻段、中頻段和高頻段。