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關(guān)于4G/5G智能手機(jī)天線調(diào)諧的4點(diǎn)須知

發(fā)布時(shí)間:2021-11-26 來(lái)源:Qorvo 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】天線效率在智能手機(jī)的整體 RF 性能中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而,當(dāng)前的智能手機(jī)工業(yè)設(shè)計(jì)趨勢(shì)和 RF 需求(尤其是即將過(guò)渡至 5G),意味著智能手機(jī)必須要將更多的天線安裝到更小的空間內(nèi),并且/或者提高現(xiàn)有天線的帶寬。


簡(jiǎn)言之,天線調(diào)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(shè)備中天線調(diào)諧的四個(gè)關(guān)鍵要素。


背景:為何需要天線調(diào)諧?


由于手機(jī)運(yùn)行所需的頻段、功能和模式的數(shù)量不斷增加,現(xiàn)代手機(jī)的 RF 前端 (RFFE) 設(shè)計(jì)也日益復(fù)雜。需要采用更多天線,使用載波聚合 (CA)、4x4 MIMO、Wi-Fi MIMO 和新的寬帶 5G 頻段來(lái)提供更高的數(shù)據(jù)速率,因此智能手機(jī)中的天線數(shù)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(tǒng)天線的空間縮小,導(dǎo)致天線效率降低。


通過(guò)天線調(diào)諧可以恢復(fù)一些損失性能。若不實(shí)施調(diào)諧,天線在有限的頻率范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)出色性能,但是增加天線調(diào)諧則可以在更廣泛的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的性能。


天線調(diào)諧系統(tǒng),例如阻抗調(diào)諧器和孔徑調(diào)諧器,可以支持 LTE 智能手機(jī)要求的更高帶寬和載波聚合。它們使天線在整個(gè) LTE 和 5G 頻段(從 600 Mhz 到 5 Ghz)范圍內(nèi)都能高效工作,同時(shí)還能節(jié)省電池電量,實(shí)現(xiàn)纖薄的手機(jī)設(shè)計(jì)。


但是,實(shí)現(xiàn)天線調(diào)諧需要深入了解如何針對(duì)每個(gè)應(yīng)用運(yùn)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(diào)諧

●     為您的調(diào)諧應(yīng)用選擇合適的組件

●     導(dǎo)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(diào)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

●     RFFE:RF 前端

●     RON: 導(dǎo)通狀態(tài)電阻

●     RSE: 輻射雜散發(fā)射

●     SP4T: 單刀四擲

●     TIS: 總?cè)蜢`敏度

●     TRP: 總輻射功率


#1: 阻抗或孔徑調(diào)諧,哪種才是最佳方法?


T天線的輻射模式和效率取決于天線的尺寸、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(diào)諧天線的效率低于經(jīng)過(guò)調(diào)諧的天線;相比之下,調(diào)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范圍。


智能手機(jī)可以使用兩種方法進(jìn)行天線調(diào)諧 - 阻抗調(diào)諧和孔徑調(diào)諧 - 如下圖所示。


●     孔徑調(diào)諧從天線終端的空閑空間中優(yōu)化天線總效率,可以跨多個(gè)頻段優(yōu)化天線效率??讖秸{(diào)諧對(duì)發(fā)射和接收通信應(yīng)用的天線效率都會(huì)產(chǎn)生很大影響,根據(jù)不同的應(yīng)用,總輻射功率 (TRP) 和總?cè)蜢`敏度 (TIS) 可提高 3 dB 甚至更多。

●     阻抗調(diào)諧最大限度地提高射頻前端與天線之間的功率傳輸,并通過(guò)最小化天線與天線前端之間的失配損耗來(lái)增加 TRP 和 TIS。阻抗調(diào)諧還有助于補(bǔ)償環(huán)境影響,如一個(gè)人的手在智能手機(jī)上的位置。


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目前,為了克服因天線面積和效率降低所導(dǎo)致的問(wèn)題,手機(jī)中主要采用孔徑調(diào)諧法。中高檔智能手機(jī)使用孔徑和阻抗調(diào)諧組合方法,以支持不斷擴(kuò)大的頻段范圍,尤其是 5G 應(yīng)用。

 

#2:如何選擇正確的調(diào)諧組件


在開(kāi)關(guān)和輻射元件之間添加調(diào)諧組件(電容或電感),可進(jìn)一步調(diào)節(jié)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(dǎo)通時(shí)以及在電路中添加電感或電容時(shí)天線的諧振頻率。


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選擇性能最佳的孔徑調(diào)諧開(kāi)關(guān)、電容和電感非常重要。一些準(zhǔn)則包括:


調(diào)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(tǒng)損耗。

●     使用高線性調(diào)諧開(kāi)關(guān),避免對(duì)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(diào)整 2G/3G/4G/5G 標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍。

●     開(kāi)關(guān)應(yīng)該能夠處理寬帶天線應(yīng)用的高射頻電壓。


調(diào)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(diào)諧開(kāi)關(guān)的兩個(gè)關(guān)鍵特性會(huì)顯著影響天線的效率:導(dǎo)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(dǎo)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(diào)諧,那么 COFF 和電感的組合將會(huì)產(chǎn)生不必要的諧振。換句話說(shuō),當(dāng)開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí),必然存在諧振機(jī)制。為了抑制這種諧振,調(diào)諧器開(kāi)關(guān)配有一個(gè)內(nèi)部開(kāi)關(guān),可以并聯(lián)到地面。


下圖顯示,在天線和調(diào)諧組件之間連接一個(gè) SP4T 調(diào)諧器開(kāi)關(guān),以便將天線調(diào)諧到不同的頻段。天線通過(guò) RF3 端口連接至一個(gè)調(diào)諧電容,而其他三個(gè)端口為斷開(kāi)狀態(tài)。用 RON 代替天線與 RF3 端口之間的 ON 狀態(tài)電阻,用 COFF 仿真天線和 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,右下角的黑色線表示存在諧振,橙色線表示不存在諧振。


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降低 RON 可使電感調(diào)諧和電容調(diào)諧的天線效率提高幾個(gè) dB,從而對(duì)手機(jī)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(jù)天線調(diào)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(qǐng)參考我們的免費(fèi)?指南如何實(shí)現(xiàn)孔徑調(diào)諧:4G/5G 智能手機(jī)的最佳實(shí)踐》。

 

#4: 孔徑調(diào)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(xiàn)更高數(shù)據(jù)速率。由于手機(jī)中的天線數(shù)量有限,這通常意味著單個(gè)天線必須在兩個(gè)頻段上同時(shí)通信。


使用孔徑調(diào)諧開(kāi)關(guān)有助于滿足智能手機(jī)對(duì) CA 的要求:


●     孔徑調(diào)諧用于支持頻段 39 和頻段 41 的 CA 組合(通常用于中國(guó))。

●     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(duì)每個(gè)頻段進(jìn)行高效調(diào)諧,而且對(duì)另一個(gè)頻段的影響最小。

●     將調(diào)諧開(kāi)關(guān)放置在諧振頻率的峰值電壓點(diǎn)附近,對(duì)該頻率的調(diào)諧效果最好。


來(lái)源:Qorvo



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