動態(tài)阻抗調諧技術提高手機天線性能

　如今的移動電話不僅要支持蜂窩頻率，還要支持那些用于移動電視、藍牙、WLAN和定位服務的非蜂窩特性。由于每次手機換代都縮小了天線的可用空間，天線被包在相機和鍵盤電路周圍并重新安排路徑，導致天線效率降低。一部分性能損失可以通過天線調諧得到恢復，即使用動態(tài)阻抗調諧技術根據(jù)工作頻率和環(huán)境條件優(yōu)化天線的性能。然而，所面臨的挑戰(zhàn)是，任何成功的天線調諧方案均須滿足損耗低、線性度高、能夠處理很高強度的RF信號且耗能少的要求。

　　天線調諧架構

　　當無源天線不再滿足帶寬要求提高、手機設計更復雜、天線可用空間更小等性能要求時，通常使用開環(huán)天線調諧系統(tǒng)。在開環(huán)系統(tǒng)中，可調諧元件根據(jù)靜態(tài)信息 (如發(fā)射/接收頻率、調制方案或使用情況)在設定的頻段和工作模式下微調天線的性能(見圖1)。但由于開環(huán)系統(tǒng)不對天線的運行狀況進行實時測量，因此無法具體考慮環(huán)境條件。

　　在移動設備中，環(huán)境條件非常重要，它們在用戶行走、開車或移動手指時發(fā)生變化。天線設計者可使用自適應閉環(huán)天線調諧技術來應對這些條件變化。在閉環(huán)調諧方案中，失配傳感器跟蹤天線的運行狀況并提供反映實際情況的反饋信號。

　　失配傳感器把VSWR(反射回天線的功率幅度)與發(fā)射功率進行比較并調節(jié)阻抗調諧電路。調諧算法使可調元件在各種使用情況下持續(xù)跟蹤環(huán)境條件，并把阻抗調到最優(yōu)值(見圖1)。

　　圖1：開環(huán)(左)和閉環(huán)(右)天線調諧方案

　　調諧挑戰(zhàn)

　　理論是有用的，但在蜂窩電話中實現(xiàn)自適應天線調諧的最大障礙是缺乏電氣參數(shù)可調、損耗低且調整比足夠寬的高性能無功元件。在“高性能”方面，最具挑戰(zhàn)性的元件要求是功率處理能力和線性度。例如，GSM天線通常必須能夠處理最高+33dBm的發(fā)射功率，但在失配條件下，調諧元件實際上需要處理電壓高達 30Vpk或功率高達+40dBm的RF信號。

　　為尋找更好的調諧材料，人們在過去幾年里進行了大量的研究。例如，為實現(xiàn)可調的天線和濾波器，一些研究者已經(jīng)使用了微機電系統(tǒng)(MEMS)和鐵電材料技術(如鈦酸鍶鋇，BST)。這些技術盡管有發(fā)展前景，但目前仍面臨著巨大的技術和制造障礙。要充分滿足天線調諧的需要，設計人員需要能支持量產(chǎn)的技術，最好是成熟的技術。

　　天線復雜性

　　天線是復雜器件，嵌入在手機中的天線也不例外。由于手機的RF收發(fā)器是針對50Ω阻抗設計的，因此其天線最好也能在整個頻段呈50Ω阻抗。但事實上，這很少能做到，因為根據(jù)電磁定律，手機天生具有天線帶寬窄、匹配不良和輻射效率低等特點。

　　因而，天線在整個波段通常是按非50Ω阻抗設計的，對多波段天線，VSWR的典型值為2:1或3:1。天線阻抗也受其它因素的影響，如手機握持方式(即“頭手效應”)。使用者的身體也吸收功率，進一步限制了天線的輻射效率。手機天線通常在VSWR優(yōu)于3:1的狀態(tài)下工作，但如果使用者把手指放在天線發(fā)射器上，VSWR 可能提高到9:1。如果在信號鏈中所有器件都是按照在VSWR為1:1設計的，那么可能會出問題。圖2顯示了“手效應”的影響，所謂手效應是指當手放在天線發(fā)射器附近時天線產(chǎn)生諧振點偏移(detuning)。這個效應改變了天線的諧振頻率，導致天線在預定工作頻率嚴重失配。

　　圖2：當用戶把手放在天線發(fā)射器附近時，天線的諧振頻率發(fā)生改變，導致在預定工作頻率失配。