天線效率在智慧型手機的整體 RF 性能中發揮著至關重要的作用。然而,當前的智慧型手機工業設計趨勢和 RF 需求(尤其是即將過渡至 5G),意味著智慧型手機必須要將更多的天線安裝到更小的空間內,並且/或者提高現有天線的帶寬。
簡言之,天線調諧比以往更加重要。在本文中,將介紹 4G 和 5G 行動裝置中天線調諧的四個關鍵要素。
背景:為何需要天線調諧
由於手機運行所需的頻段、功能和模式的數量不斷增加,現代手機的 RF 前端 (RFFE) 設計也日益複雜。需要採用更多天線,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據速率,因此智慧型手機中的天線數量從 4-6 個增加到 8 個或更多。與此同時,可用於移動系統天線的空間縮小,導致天線效率降低。
通過天線調諧可以恢復一些損失性能。若不實施調諧,天線在有限的頻率範圍內可以實現出色性能,但是增加天線調諧則可以在更廣泛的頻率範圍內實現更優化的性能。
天線調諧系統,例如阻抗調諧器和孔徑調諧器,可以支持 LTE 智慧型手機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)範圍內都能高效工作,同時還能節省電池電量,實現纖薄的手機設計。
但是,實現天線調諧需要深入了解如何針對每個應用運用該技術。我們來看看這四個基本要素:
阻抗與孔徑調諧
為您的調諧應用選擇合適的組件
導通狀態電阻 (RON)、斷開狀態電容 (COFF),以及消除不必要的諧振
孔徑調諧和 CA
術語表(Ca:載波聚合;COFF:斷開狀態電容;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:導通狀態電阻;RSE:輻射雜散發射;SP4T:單刀四擲;TIS:總全向靈敏度;TRP:總輻射功率)
#1:阻抗或孔徑調諧,哪種才是最佳方法?
天線的輻射模式和效率取決於天線的尺寸、形狀、外殼、與金屬的接觸程度,以及接地層的形狀和大小。未調諧天線的效率低於經過調諧的天線;相比之下,調諧天線的效率越高,意味著它具有更高的輻射功率和更大的範圍。
智慧型手機可以使用兩種方法進行天線調諧 - 阻抗調諧和孔徑調諧 - 如下圖所示。
孔徑調諧從天線終端的空閒空間中優化天線總效率,可以跨多個頻段優化天線效率。孔徑調諧對發射和接收通信應用的天線效率都會產生很大影響,根據不同的應用,總輻射功率 (TRP) 和總全向靈敏度 (TIS) 可提高 3 dB 甚至更多。
阻抗調諧最大限度地提高射頻前端與天線之間的功率傳輸,並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。阻抗調諧還有助於補償環境影響,如一個人的手在智慧型手機上的位置。
目前,為了克服因天線面積和效率降低所導致的問題,手機中主要採用孔徑調諧法。中高檔智慧型手機使用孔徑和阻抗調諧組合方法,以支持不斷擴大的頻段範圍,尤其是 5G 應用。
#2:如何選擇正確的調諧組件
在開關和輻射元件之間添加調諧組件(電容或電感),可進一步調節諧振頻率,以支持 LTE 和 5G 頻段。下圖顯示了開關斷開、導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諧開關、電容和電感非常重要。一些準則包括:
調諧器開關:
使用具有低 RON 和 COFF 的開關來最小化系統損耗。
使用高線性調諧開關,避免對輻射雜散發射 (RSE) 和 TIS 產生影響。
開關必須是多模式的,以調整 2G/3G/4G/5G 標準頻率範圍。
開關應該能夠處理寬帶天線應用的高射頻電壓。
調諧組件:
使用電容值大於 0.5 pF 的電容,以避免使用高容差元件。
避免使用電感值大於 36 nH 的電感。
#3:RON、COFF 和消除不必要的諧振
孔徑調諧開關的兩個關鍵特性會顯著影響天線的效率:導通狀態電阻 (RON) 和斷開狀態電容 (COFF)。孔徑開關在斷開狀態 (COFF) 下是容性開關,在導通狀態 (RON) 下則為阻性開關。如果電感連接到 RF 埠進行調諧,那麼 COFF 和電感的組合將會產生不必要的諧振。換句話說,當開關處於關斷狀態時,必然存在諧振機制。為了抑制這種諧振,調諧器開關配有一個內部開關,可以並聯到地面。
下圖顯示,在天線和調諧組件之間連接一個 SP4T 調諧器開關,以便將天線調諧到不同的頻段。天線通過 RF3 埠連接至一個調諧電容,而其他三個埠為斷開狀態。用 RON 代替天線與 RF3 埠之間的 ON 狀態電阻,用 COFF 仿真天線和 RF1、RF2 和 RF4 埠之間的 OFF 狀態電容。這種接地路徑功能有助於消除由關斷開關埠產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 可使電感調諧和電容調諧的天線效率提高几個 dB,從而對手機的整體 RF 性能產生較大的影響。降低 COFF 也同樣重要。但是,根據天線調諧器的位置和電壓分布,RON 和 COFF 影響存在差異。
#4:孔徑調諧和載波聚合
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,實現更高數據速率。由於手機中的天線數量有限,這通常意味著單個天線必須在兩個頻段上同時通信。
使用孔徑調諧開關有助於滿足智慧型手機對 CA 的要求:
孔徑調諧用於支持頻段 39 和頻段 41 的 CA 組合(通常用於中國)。
在每個頻率的峰值電壓點附近放置一個開關,可以對每個頻段進行高效調諧,而且對另一個頻段的影響最小。
將調諧開關放置在諧振頻率的峰值電壓點附近,對該頻率的調諧效果最好。
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