【導讀】天線(xiàn)效率在智能手機的整體 RF 性能中發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。然而，當前的智能手機工業(yè)設計趨勢和 RF 需求（尤其是即將過(guò)渡至 5G），意味著(zhù)智能手機必須要將更多的天線(xiàn)安裝到更小的空間內，并且/或者提高現有天線(xiàn)的帶寬。
簡(jiǎn)言之，天線(xiàn)調諧比以往更加重要。在本博客中，我們將介紹 4G 和 5G 移動(dòng)設備中天線(xiàn)調諧的四個(gè)關(guān)鍵要素。
背景：為何需要天線(xiàn)調諧？
由于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) 設計也日益復雜。需要采用更多天線(xiàn)，使用載波聚合 (CA)、4x4 MIMO、Wi-Fi MIMO 和新的寬帶 5G 頻段來(lái)提供更高的數據速率，因此智能手機中的天線(xiàn)數量從 4-6 個(gè)增加到 8 個(gè)或更多。與此同時(shí)，可用于移動(dòng)系統天線(xiàn)的空間縮小，導致天線(xiàn)效率降低。
通過(guò)天線(xiàn)調諧可以恢復一些損失性能。若不實(shí)施調諧，天線(xiàn)在有限的頻率范圍內可以實(shí)現出色性能，但是增加天線(xiàn)調諧則可以在更廣泛的頻率范圍內實(shí)現更優(yōu)化的性能。
天線(xiàn)調諧系統，例如阻抗調諧器和孔徑調諧器，可以支持 LTE 智能手機要求的更高帶寬和載波聚合。它們使天線(xiàn)在整個(gè) LTE 和 5G 頻段（從 600 Mhz 到 5 Ghz）范圍內都能高效工作，同時(shí)還能節省電池電量，實(shí)現纖薄的手機設計。
但是，實(shí)現天線(xiàn)調諧需要深入了解如何針對每個(gè)應用運用該技術(shù)。我們來(lái)看看這四個(gè)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(tài)電阻 (RON)、斷開(kāi)狀態(tài)電容 (COFF)，以及消除不必要的諧振
● 孔徑調諧 和 CA
術(shù)語(yǔ)表
● CA: 載波聚合
● COFF: 斷開(kāi)狀態(tài)電容
● GND: 接地
● MIMO: 多路輸入/多路輸出
● PIFA: 平面倒 F 型天線(xiàn)
● RFFE：RF 前端
● RON: 導通狀態(tài)電阻
● RSE: 輻射雜散發(fā)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？
T天線(xiàn)的輻射模式和效率取決于天線(xiàn)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(xiàn)的效率低于經(jīng)過(guò)調諧的天線(xiàn)；相比之下，調諧天線(xiàn)的效率越高，意味著(zhù)它具有更高的輻射功率和更大的范圍。
智能手機可以使用兩種方法進(jìn)行天線(xiàn)調諧 - 阻抗調諧和孔徑調諧 - 如下圖所示。
● 孔徑調諧從天線(xiàn)終端的空閑空間中優(yōu)化天線(xiàn)總效率，可以跨多個(gè)頻段優(yōu)化天線(xiàn)效率?？讖秸{諧對發(fā)射和接收通信應用的天線(xiàn)效率都會(huì )產(chǎn)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(xiàn)之間的功率傳輸，并通過(guò)最小化天線(xiàn)與天線(xiàn)前端之間的失配損耗來(lái)增加 TRP 和 TIS。阻抗調諧還有助于補償環(huán)境影響，如一個(gè)人的手在智能手機上的位置。
目前，為了克服因天線(xiàn)面積和效率降低所導致的問(wèn)題，手機中主要采用孔徑調諧法。中高檔智能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范圍，尤其是 5G 應用。
#2:如何選擇正確的調諧組件
在開(kāi)關(guān)和輻射元件之間添加調諧組件（電容或電感），可進(jìn)一步調節諧振頻率，以支持 LTE 和 5G 頻段。下圖顯示了開(kāi)關(guān)斷開(kāi)、導通時(shí)以及在電路中添加電感或電容時(shí)天線(xiàn)的諧振頻率。
選擇性能最佳的孔徑調諧開(kāi)關(guān)、電容和電感非常重要。一些準則包括：
調諧器開(kāi)關(guān)：
● 使用具有低 RON 和 COFF 的開(kāi)關(guān)來(lái)最小化系統損耗。
● 使用高線(xiàn)性調諧開(kāi)關(guān)，避免對輻射雜散發(fā)射 (RSE) 和 TIS 產(chǎn)生影響。
● 開(kāi)關(guān)必須是多模式的，以調整 2G/3G/4G/5G 標準頻率范圍。
● 開(kāi)關(guān)應該能夠處理寬帶天線(xiàn)應用的高射頻電壓。
調諧組件：
● 使用電容值大于 0.5 pF 的電容，以避免使用高容差元件。
● 避免使用電感值大于 36 nH 的電感。
#3: RON、COFF 和消除不必要的諧振
孔徑調諧開(kāi)關(guān)的兩個(gè)關(guān)鍵特性會(huì )顯著(zhù)影響天線(xiàn)的效率：導通狀態(tài)電阻 (RON) 和斷開(kāi)狀態(tài)電容 (COFF)?？讖介_(kāi)關(guān)在斷開(kāi)狀態(tài) (COFF) 下是容性開(kāi)關(guān)，在導通狀態(tài) (RON) 下則為阻性開(kāi)關(guān)。如果電感連接到 RF 端口進(jìn)行調諧，那么 COFF 和電感的組合將會(huì )產(chǎn)生不必要的諧振。換句話(huà)說(shuō)，當開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，必然存在諧振機制。為了抑制這種諧振，調諧器開(kāi)關(guān)配有一個(gè)內部開(kāi)關(guān)，可以并聯(lián)到地面。
下圖顯示，在天線(xiàn)和調諧組件之間連接一個(gè) SP4T 調諧器開(kāi)關(guān)，以便將天線(xiàn)調諧到不同的頻段。天線(xiàn)通過(guò) RF3 端口連接至一個(gè)調諧電容，而其他三個(gè)端口為斷開(kāi)狀態(tài)。用 RON 代替天線(xiàn)與 RF3 端口之間的 ON 狀態(tài)電阻，用 COFF 仿真天線(xiàn)和 RF1、RF2 和 RF4 端口之間的 OFF 狀態(tài)電容。這種接地路徑功能有助于消除由關(guān)斷開(kāi)關(guān)端口產(chǎn)生的電容引起的諧振。下圖中，右下角的黑色線(xiàn)表示存在諧振，橙色線(xiàn)表示不存在諧振。
降低 RON 可使電感調諧和電容調諧的天線(xiàn)效率提高幾個(gè) dB，從而對手機的整體 RF 性能產(chǎn)生較大的影響。降低 COFF 也同樣重要。但是，根據天線(xiàn)調諧器的位置和電壓分布，RON 和 COFF 影響存在差異。如需了解有關(guān) RON 和 COFF 的更多信息，請參考我們的免費?指南如何實(shí)現孔徑調諧：4G/5G 智能手機的最佳實(shí)踐》。
#4: 孔徑調諧和載波聚合
CA 將兩個(gè)或多個(gè) LTE 載波（通常在不同的頻段中）組合起來(lái)，以增加帶寬，實(shí)現更高數據速率。由于手機中的天線(xiàn)數量有限，這通常意味著(zhù)單個(gè)天線(xiàn)必須在兩個(gè)頻段上同時(shí)通信。
使用孔徑調諧開(kāi)關(guān)有助于滿(mǎn)足智能手機對 CA 的要求：
● 孔徑調諧用于支持頻段 39 和頻段 41 的 CA 組合（通常用于中國）。
● 在每個(gè)頻率的峰值電壓點(diǎn)附近放置一個(gè)開(kāi)關(guān)，可以對每個(gè)頻段進(jìn)行高效調諧，而且對另一個(gè)頻段的影響最小。
● 將調諧開(kāi)關(guān)放置在諧振頻率的峰值電壓點(diǎn)附近，對該頻率的調諧效果最好。
來(lái)源：Qorvo
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