新型调谐技术提高手机天线性能

内容摘要：
手机设计过程中的天线调谐技术

解决方案：
高性能，低损耗天线调谐方案

如今的移动电话不仅要支持蜂窝频率，还要支持那些用于移动电视、蓝牙、WLAN和定位服务的非蜂窝特性。由于每次手机换代都缩小了天线的可用空间，天线被包在相机和键盘电路周围并重新安排路径，导致天线效率降低。一部分性能损失可以通过天线调谐得到恢复，即使用动态阻抗调谐技术根据工作频率和环境条件优化天线的性能。然而，所面临的挑战是，任何成功的天线调谐方案均须满足损耗低、线性度高、能够处理很高强度的RF信号且耗能少的要求。

　　天线调谐架构

　　当无源天线不再满足带宽要求提高、手机设计更复杂、天线可用空间更小等性能要求时，通常使用开环天线调谐系统。在开环系统中，可调谐元件根据静态信息 (如发射/接收频率、调制方案或使用情况)在设定的频段和工作模式下微调天线的性能(见图1)。但由于开环系统不对天线的运行状况进行实时测量，因此无法具体考虑环境条件。

　　在移动设备中，环境条件非常重要，它们在用户行走、开车或移动手指时发生变化。天线设计者可使用自适应闭环天线调谐技术来应对这些条件变化。在闭环调谐方案中，失配传感器跟踪天线的运行状况并提供反映实际情况的反馈信号。

　　失配传感器把VSWR(反射回天线的功率幅度)与发射功率进行比较并调节阻抗调谐电路。调谐算法使可调元件在各种使用情况下持续跟踪环境条件，并把阻抗调到最优值(见图1)。
 

图1：开环(左)和闭环(右)天线调谐方案

　　调谐挑战

　　理论是有用的，但在蜂窝电话中实现自适应天线调谐的最大障碍是缺乏电气参数可调、损耗低且调整比足够宽的高性能无功元件。在“高性能”方面，最具挑战性的元件要求是功率处理能力和线性度。例如，GSM天线通常必须能够处理最高+33dBm的发射功率，但在失配条件下，调谐元件实际上需要处理电压高达 30Vpk或功率高达+40dBm的RF信号。

　　为寻找更好的调谐材料，人们在过去几年里进行了大量的研究。例如，为实现可调的天线和滤波器，一些研究者已经使用了微机电系统(MEMS)和铁电材料技术(如钛酸锶钡，BST)。这些技术尽管有发展前景，但目前仍面临着巨大的技术和制造障碍。要充分满足天线调谐的需要，设计人员需要能支持量产的技术，最好是成熟的技术。

　　天线复杂性

　　天线是复杂器件，嵌入在手机中的天线也不例外。由于手机的RF收发器是针对50Ω阻抗设计的，因此其天线最好也能在整个频段呈50Ω阻抗。但事实上，这很少能做到，因为根据电磁定律，手机天生具有天线带宽窄、匹配不良和辐射效率低等特点。

　　因而，天线在整个波段通常是按非50Ω阻抗设计的，对多波段天线，VSWR的典型值为2:1或3:1。天线阻抗也受其它因素的影响，如手机握持方式(即“头手效应”)。使用者的身体也吸收功率，进一步限制了天线的辐射效率。手机天线通常在VSWR优于3:1的状态下工作，但如果使用者把手指放在天线发射器上，VSWR 可能提高到9:1。如果在信号链中所有器件都是按照在VSWR为1:1设计的，那么可能会出问题。图2显示了“手效应”的影响，所谓手效应是指当手放在天线发射器附近时天线产生谐振点偏移(detuning)。这个效应改变了天线的谐振频率，导致天线在预定工作频率严重失配。

图2：当用户把手放在天线发射器附近时，天线的谐振频率发生改变，导致在预定工作频率失配。

　　当天线端口处在失配状态时，RF性能迅速下降。特别需要指出的是，如果天线处在VSWR=3:1(多波段天线的常用设计指标)的状态，大约 1.25dB的功率由于反射而立即损失；如果VSWR达到5:1，失配损耗将提高到2.55dB。这样的失配也将使功率放大器(PA)输出功率下降，进一步减少了辐射功率。如果手机的窄带双工或接收滤波器没有端接到其特征阻抗，在其通带中还会出现纹波，并额外带来高达2dB的损失。在图3中，绿线代表典型的WCDMA双工发射滤波器在阻抗为50Ω时的性能。红线是标准指标，蓝线显示当天线在所有相位VSWR均为5：1时的滤波器响应；注意在最坏情况下插入损耗达5dB。

图3：当手机的窄带双工或接收滤波器没有端接到其特征阻抗时，在通带中也会出现纹波。本例中，VSWR为5:1的阻抗失配使插入损耗大幅度增加。

作者：半导体公司 Tero Ranta, Rodd Novak