阻抗匹配技術(shù)和孔徑調(diào)諧技術(shù)的對比

全球LTE智能手機(jī)的出貨量、網(wǎng)絡(luò)配置以及頻譜分配如今迅猛增長，而3GPP電信標(biāo)準(zhǔn)組織也已為LTE標(biāo)準(zhǔn)分配超過40個(gè)頻段。隨著用戶數(shù)和通信量的負(fù)荷持續(xù)加重，諸如ATT(美)和Verizon(美)的主要電信商開始采用LTE-Advanced 載波聚合(Carrier Aggregation)技術(shù)以提升網(wǎng)絡(luò)的速度和容量。3GPP現(xiàn)今已確定愈60種頻帶組合，其中包括頻帶內(nèi)和頻帶間聚合。

正因如此，智能手機(jī)需要優(yōu)化技術(shù)以適應(yīng)持續(xù)增加的頻譜分配方案和載波聚合的可能性。對手機(jī)內(nèi)的LTE射頻而言，這意味著射頻必須能夠“調(diào)”這些頻帶當(dāng)中的任何一個(gè)，而這進(jìn)一步要求該天線需要在所有頻帶上保持高效率表現(xiàn)。

但是說得容易做得難，天線效率的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)難過設(shè)定要求。在手機(jī)生產(chǎn)史的早期，天線是信號射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)師最后考慮的問題。早期手機(jī)體積大，數(shù)據(jù)率低，加上全球只有4個(gè)頻帶。這些因素確保早期手機(jī)的高信號性能表現(xiàn)不成問題。而快進(jìn)到2015年，隨著而大屏幕和大電池則成為主流，手機(jī)已經(jīng)演進(jìn)為精密的智能手機(jī)。原設(shè)備制造商逐漸采用多種天線調(diào)諧技術(shù)以確保LTE在多頻帶上的信號表現(xiàn)。

圖1 手機(jī)的演進(jìn)及相應(yīng)的天線效率

LTE射頻最關(guān)鍵的是射頻前端(RFFE)，包括天線及模擬數(shù)據(jù)處理。RFFE中的功率放大器，濾波器以及電源轉(zhuǎn)化器經(jīng)設(shè)計(jì)能夠在50歐—天線饋端(天線和RFFE連接處)的目標(biāo)阻抗—以最高效率運(yùn)作。

天線饋端的天線阻抗取決于天線的類型。而移動(dòng)設(shè)備生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的是雙波段PIFA天線。在諧振頻率中，天線的饋電點(diǎn)阻抗為純電阻(PIFA天線大約 90Ω ，偶極子天線約72Ω ，而單極子天線約36 Ω ) 。為了最大限度地提高輻射效率， 利用簡單的固定匹配電路能將天線的阻抗匹配為50 Ω，借此提高輸入天線功率的輻射。

圖2 LTE射頻輻射前端(RFFE 或 Radio Frequency Front End) 結(jié)構(gòu)圖

業(yè)界如今有兩種截然不同的天線調(diào)諧方法：

可調(diào)式阻抗匹配調(diào)諧Tunable Impedance Matching (TIM)

天線孔徑調(diào)諧Antenna Aperture Tuning (AAT)

利用可調(diào)阻抗匹配的方法要求在天線和接收機(jī)/發(fā)射機(jī)之間植入可變匹配網(wǎng)絡(luò) 。隨著頻率轉(zhuǎn)變，天線的阻抗隨之改變，天線的阻抗需要調(diào)節(jié)回RFFE要求的50Ω 。這就需要一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)監(jiān)測入射和反射功率或測量天線阻抗的實(shí)部和虛部。基于這些測量，匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)諧元件會(huì)被調(diào)整，繼而形成新的天線饋電點(diǎn)阻抗以優(yōu)化功率傳遞。

至于天線孔徑調(diào)諧技術(shù)，一個(gè)高Q值可變電容被放置在輻射元件的一個(gè)適當(dāng)?shù)奈恢?。隨著頻率的變化的可變電容的負(fù)載會(huì)被動(dòng)態(tài)調(diào)整，使得天線諧振頻率與工作頻率相匹配。匹配諧振頻率與工作頻率有利于使天線的饋電點(diǎn)阻抗在整個(gè)工作范圍保持相對穩(wěn)定，同時(shí)一個(gè)簡單的固定網(wǎng)絡(luò)將該阻抗匹配到的饋電點(diǎn)目標(biāo)阻抗50Ω，從而確保了調(diào)諧天線和RFFE之間最優(yōu)化的功率傳輸。

為了更好地理解的一個(gè)典型的PIFA天線的實(shí)現(xiàn)方法，作者將描繪其阻抗的實(shí)部和虛部，以及解釋它們是如何隨著頻率變化而改變。

圖3 PIFA在不同頻率中的阻抗表現(xiàn)

圖3顯示的PIFA天線頻率被調(diào)節(jié)到920Mhz(頻帶B8)，此時(shí)電抗盡可能接近0Ω而電容盡可能大，約90Ω。高電阻和低電感抗的組合直接導(dǎo)致良好的輻射效率—天線調(diào)諧的最優(yōu)狀態(tài) 。然而，如果 圖3中的PIFA天線在860MHz(頻帶B5)運(yùn)作，可以發(fā)現(xiàn)電抗顯著增大至將近60Ω 。這天線組件的電感效應(yīng)囤積而不輻射能量，從而降低了天線的運(yùn)作效率。此外，該天線在頻帶B5運(yùn)作時(shí)嚴(yán)重不匹配，降低了從饋線至低效率天線的功率傳遞。

下文解釋兩種天線調(diào)諧方案是如何優(yōu)化PIFA天線的表現(xiàn)的:

天線孔徑調(diào)諧方案作用于改變可變電容的負(fù)載，將天線的諧振頻率與的工作頻率相匹配。諧振頻率的調(diào)整最大限度地降低天線的阻抗( 接近0Ω )，并最大化其電阻( 接近90Ω ) 。這使天線能在頻譜任何一處保持最佳表現(xiàn)，如圖3中虛線曲線所示。此外，具有小于0.3dB插入損耗的超低損耗射頻微電機(jī)系統(tǒng)(RF MEMS) 可變電容器現(xiàn)可用于天線孔徑調(diào)諧技術(shù)，進(jìn)一步極盡利用天線的輻射，最小化功率損耗(被囤積在RFFE內(nèi))。

可調(diào)阻抗匹配方案則測量天線的阻抗并調(diào)節(jié)饋線以匹配相應(yīng)阻抗，介此優(yōu)化從50Ω RFFE到天線呈現(xiàn)的可變負(fù)載的功率轉(zhuǎn)化。然而，阻抗匹配并不能避免天線的電抗特性，這特性使得天線囤積儲(chǔ)輻射而不能充分利用它。此外，可變阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中最常使用的基于SOI或BST的元件會(huì)導(dǎo)致歐姆損耗并產(chǎn)生巨大的(>1dB)插入損耗，這進(jìn)一步限制可調(diào)阻抗匹配的功率傳輸優(yōu)化。

這篇文章分析了如今最常見的兩種“天線調(diào)諧”技術(shù)。由此發(fā)現(xiàn)，孔徑調(diào)諧技術(shù)相比下展現(xiàn)了雙重優(yōu)勢： 維持天線的諧振能力的同時(shí)同步防止饋電點(diǎn)不匹配。這性能可靠，高表現(xiàn)，以及低損耗的射頻微機(jī)電“調(diào)諧器”為射頻工程師和天線設(shè)計(jì)師提供高效天線和低成本RFFE，以制造一流的智能手機(jī)射頻設(shè)備。