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 - 尤其是向 5G 過(guò)渡期間。了解 4G 和 5G 移動(dòng)設(shè)備中天線調(diào)諧的四個(gè)關(guān)鍵要素。

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 600Mhz 到 5Ghz）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：?jiǎn)蔚端臄S

TIS：總?cè)蜢`敏度

TRP：總輻射功率

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。孔徑調(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。

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。

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。

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。

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)。孔徑開(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。

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。

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(mǎn)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。

不進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶炀€調(diào)諧，無(wú)法實(shí)現(xiàn) 5G。