阻抗匹配與 RF 電壓

2020-12-03 電子發燒友

阻抗匹配與 RF 電壓

Qorvo半導體 發表於 2020-11-26 15:17:21

移動手機天線設計人員面臨著許多挑戰：不斷增加頻段覆蓋範圍的要求，極具挑戰的行業設計限制以及不斷縮小的天線安裝空間。

設計人員通過使用孔徑和阻抗調諧器可以解決這些問題。然而，並不是任何孔徑或阻抗調諧器都可以使用。

當今的許多應用都需要使用更穩定、可靠的調諧產品，才能完全滿足設計需求。

01阻抗匹配與 RF 電壓

設計人員經常要克服的一個挑戰就是天線上的射頻能源。例如，與天線匹配的阻抗可能會在匹配網絡中生成較高的射頻電壓。

當匹配電容或電感較高的阻抗時，匹配網絡與天線之間可能會出現較大的差分電壓。當使用額定電壓更低的器件時，可能會降低系統性能。

為消除這種性能下降問題，需要使用額定電壓較高的阻抗匹配器件。為承受更高的射頻電壓，必須使用這些類型的阻抗匹配器件。圖 1 展示了在較高 (GSM850/900) 功率水平下發射信號時，射頻電壓有多高。 

Figure 1

02天線阻抗詳述

應用和天線設計等多方面因素都會影響天線的電壓電平。其中包括以下三個因素：

1、匹配器件的天線阻抗可能會導致較高的電壓

2、應用中的輸入功率水平（即2級功率(PC2)或GSM）

3、實際匹配器件的阻抗

我們考慮這三個因素，仔細了解一下如何利用天線方向圖和天線調諧器來優化天線設計。

03深入了解阻抗匹配

阻抗匹配器件會影響功率水平，並且需要使用額定電壓水平更高的器件來優化天線效率。

圖 2 為兩種天線設計，即模式 A 和 B。接下來，我們將闡述這些設計模式與不同額定電壓的阻抗匹配組件會如何相互影響。我們還將介紹如何利用額定電壓更高的器件來最大程度地提高總輻射效率。

Figure 2

首先，在圖 3 中我們可以看到，天線模式「A」和「B」在史密斯圓圖上如何通過低頻段 GSM 頻率進行測量。如圖所示，天線阻抗位於史密斯圓圖的電感區域，因此串聯電容成為最優匹配解決方案。因此，我們的天線匹配解決方案將使用電容。


Figure 3
 

在我們的示例中，我們將圖 4 左側所示的兩個類似器件作為天線阻抗匹配組件進行了測量和比較。一個是 55VRF (DEVICE55)，另一個是 65VRF (DEVICE65)。每個器件都由具有 32 種不同電容狀態的可編程電容和獨立的可切換開關組成。


Figure 4
 

通過選擇每個器件的狀態，使天線模式 A 在低頻段頻率範圍內實現最大輻射效率。此外，所選的器件狀態還應符合每個器件的額定射頻電壓要求：DEVICE55 為 55VRF，DEVICE65 為 65VRF，如下圖所示。

器件在 GSM850/900 和 LTE B12（頻段 12）下進行了測試。測量圖（下圖 5）為連接這兩個器件的天線效率與頻率圖。

Figure 5

上述輸出測量採用了 DEVICE 55 和 DEVICE 65 的天線模式「A」。如圖所示，如果使用電壓較低的 55 V 器件，在 GSM850 和 GSM900 Tx 頻率下，效率會受到明顯影響。為了在 GSM850、GSM900 以及 B12 下實現更高的效率，同時保持電壓電平，應選擇 DEVICE65 的電壓，因為其效率會超過DEVICE55。

為提高 DEVICE55 響應性能，我們嘗試使用模式「B」天線設計。

下述輸出測量圖顯示了使用 DEVICE65 的模式「A」。對於 DEVICE55，我們使用了模式「B」。儘管在 GSM 頻率下使用模式「B」天線設計可以改進 DEVICE55 方案的效果，但仍不足以達到 DEVICE65 組件的要求。如圖 6 中所示，DEVICE65 的效率再一次超過了 DEVICE55。

因為 DEVICE65 能夠滿足較高的射頻電壓輸入阻抗要求。

Figure 6

此外，使用模式「B」和 DEVICE55 所實現的效率沒有使用模式「A」和 DEVICE65 的那麼高，頻段也沒有那麼寬，尤其是在 B12 頻率範圍內。

儘管使用模式「B」時，DEVICE55 會有所改進，但效率沒有使用模式「A」和 DEVICE65 那麼高。

總之，天線上的高電壓的確會對效率和性能產生影響。我們的測量結果證實，在高射頻電壓的阻抗匹配應用中，額定電壓更高的器件可實現更高的性能。

在我們的示例中，我們採用 Qorvo 的兩款可配置調諧器，每款調諧器都包含一個開關和一個可編程電容陣列 (PAC) ，一個器件的額定電壓為 55V，另一個為 65V。額定電壓更高的組件可為天線設計人員提供更多的裕量。

從而使系統設計人員能夠在不修改設計布局結構的情況下，更有效地將電路與多個天線模式和射頻電壓情境進行匹配。

原文標題：高壓阻抗調諧快速指南

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