多個(gè)頻率范圍的天線調(diào)諧的分布

天線孔徑調(diào)諧對(duì)于智能手機(jī)至關(guān)重要，可保證其在不斷增加的 RF 頻段范圍內(nèi)有效運(yùn)行并支持向 5G 的過(guò)渡。智能手機(jī)需要更多天線來(lái)支持不斷增長(zhǎng)的 RF 需求，例如新的 5G 頻段、MIMO，和載波聚合（CA）等。而由于智能手機(jī)工業(yè)設(shè)計(jì)潮流的不斷變化，留給這些天線的空間越來(lái)越少；于是，天線也因此變得越來(lái)越小，潛在降低了其效率和帶寬?？讖秸{(diào)諧手段允許天線在多個(gè)頻帶上有效地調(diào)諧，將 Tx 和 Rx 性能提高 3dB 以上，從而補(bǔ)償這一問(wèn)題。

孔徑調(diào)諧通過(guò)與其它調(diào)諧組件組合的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)；具備低 RON 和低 COFF 的開(kāi)關(guān)是效率最大化的關(guān)鍵?？讖秸{(diào)諧還允許天線同時(shí)在多個(gè)頻段上通信以支持 CA。實(shí)施孔徑調(diào)諧需要深入了解如何將該技術(shù)用于各種應(yīng)用。

簡(jiǎn)介

天線效率在智能手機(jī)的整體 RF 性能中起著至關(guān)重要的作用。但是，當(dāng)前的 RF 需求（尤其是即將向 5G 的過(guò)渡）和智能手機(jī)工業(yè)設(shè)計(jì)的廣泛趨勢(shì)，意味著其必須在更少的空間中安裝更多的天線。因此，天線尺寸不斷縮小，導(dǎo)致了其效率的降低。如不針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行補(bǔ)償，效率的降低可能會(huì)影響 Tx 和 Rx 性能，從而導(dǎo)致電池壽命縮短、數(shù)據(jù)速率降低以及連接性問(wèn)題。

“對(duì) 5G 的支持致使復(fù)雜性不斷攀升，再加上工業(yè)設(shè)計(jì)方面的約束，會(huì)對(duì)天線性能產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)速率和電池壽命降低”

5G 手機(jī)需要更多天線以提供更快的數(shù)據(jù)速率

向 5G 的過(guò)渡意味著對(duì)更高數(shù)據(jù)速率的不斷追求，并將顯著增加每部手機(jī)中的典型天線數(shù)量。

提供較高數(shù)據(jù)速率的兩種主要技術(shù)是 CA（載波聚合）和多路輸入/多路輸出（MIMO），二者都需要同時(shí)工作的多個(gè)天線。5G 將進(jìn)一步推動(dòng)這一趨勢(shì)，因?yàn)槠湟笤诖蠖鄶?shù)頻段上支持四個(gè)獨(dú)立的下行鏈路信道，需要手機(jī)至少包含四個(gè)用于無(wú)線通信的天線。

同時(shí)，很大程度上由于新 5G 頻段的引入，手機(jī)天線需要涵蓋更廣泛的頻段。5G 手機(jī)可能需要支持從較低的 600MHz 到高達(dá) 6GHz 的頻率。

為滿足這些要求并支持 Wi-Fi、GPS 和藍(lán)牙技術(shù)，天線數(shù)量將從當(dāng)前典型 LTE 手機(jī)中的 4 到 6 根，增加至 5G 智能手機(jī)中的 6 到 10 根。在有限的可用空間內(nèi)安裝所有這些天線變得越來(lái)越困難。

隨著向 5G 的過(guò)渡，天線的數(shù)量不斷增加，以支持新的頻段，以及 MIMO 和 CA 的要求

更小的天線面積

隨著制造商在工業(yè)設(shè)計(jì)上的持續(xù)革新和新功能的不斷添加，可容納天線的空間正在縮小，由此加劇了問(wèn)題的嚴(yán)重性。一個(gè)關(guān)鍵的趨勢(shì)是向全屏手機(jī)的轉(zhuǎn)變；在全屏手機(jī)中，顯示屏幾乎占據(jù)了手機(jī)的整個(gè)表面，造成屏幕外用于無(wú)線通信天線的可用空間越來(lái)越少。而制造商仍不斷增加攝像頭，又進(jìn)一步擠占了手機(jī)內(nèi)部空間。

需要在更少的空間中安裝更多天線意味著天線變得越來(lái)越小，天線尺寸的減小則導(dǎo)致天線效率降低。圖 2 顯示了在全屏設(shè)計(jì)中，天線效率如何隨著電話頂部的輻射元件與接地部分（位于屏幕邊緣）之間空間的縮小而降低。

全屏智能手機(jī)設(shè)計(jì)縮小了可用天線面積，從而降低天線效率。

天線數(shù)量增多，尺寸減小，這也意味著手機(jī)對(duì)因環(huán)境變化（例如手持手機(jī)的動(dòng)作）而引起的瞬態(tài)效應(yīng)更加敏感。這些瞬態(tài)效應(yīng)可能包括效率降低和頻率響應(yīng)變化。

天線性能的“三角”折衷關(guān)系

所示的天線“折衷三角”顯示了天線尺寸減小對(duì)效率和帶寬的影響。如果天線尺寸保持恒定，效率可以用來(lái)?yè)Q取更大的帶寬。在具有較大天線的老一代手機(jī)中，此種折衷是可以接受的，因?yàn)樘炀€在支持更大范圍頻帶的同時(shí)仍可滿足性能要求。但隨著天線尺寸的減小，這種折衷已不再可行。采用新的全屏設(shè)計(jì)，天線只能在狹窄的頻率范圍內(nèi)達(dá)到所需的效率水平。因此，為了支持當(dāng)前手機(jī)設(shè)計(jì)所涵蓋的廣泛頻率范圍，必須調(diào)諧天線以在每個(gè)頻率上有效地工作。

天線性能的“三角”折衷關(guān)系。

孔徑調(diào)諧：通過(guò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行調(diào)諧

目前，孔徑調(diào)諧是解決手機(jī)因天線面積減小和效率降低所引發(fā)問(wèn)題的主要方法。使智能手機(jī)能夠支持不斷擴(kuò)大的頻段范圍至關(guān)重要，特別是在向 5G 過(guò)渡的情況下。

孔徑調(diào)諧會(huì)對(duì)進(jìn)行發(fā)射和接收通信的天線效率產(chǎn)生重大影響。根據(jù)不同的應(yīng)用，總輻射功率（TRP）和總?cè)蜢`敏度（TIS）可提升達(dá) 3dB 甚至更多。

天線調(diào)諧技術(shù)的概念如圖 4 所示。一個(gè)開(kāi)關(guān)連接在天線和接地之間用于調(diào)整天線的諧振頻率，以匹配電話當(dāng)前用于通信的頻率。

在開(kāi)關(guān)和輻射元件之間添加不同的調(diào)諧組件（電容或電感）可用于進(jìn)一步調(diào)節(jié)諧振頻率，以支持不同的頻段。圖 4 顯示了當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)、導(dǎo)通，以及在電路中添加電感或電容時(shí)天線的諧振頻率。

每個(gè)組件都連接到一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)，以闡述孔徑調(diào)諧的概念。然而，在主無(wú)線通信天線和其它一些應(yīng)用中，更復(fù)雜的多擲開(kāi)關(guān)可用于連接多個(gè)調(diào)諧組件并支持更廣泛的頻帶范圍。

孔徑調(diào)諧

多個(gè)頻率范圍的天線調(diào)諧

天線具有多個(gè)固有諧振頻率，且諧波相關(guān)：例如，天線的諧振頻率可以是 900MHz、1800MHz（二階諧波）、2700MHz（三階諧波）等等。通過(guò)孔徑調(diào)諧開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)諧每個(gè)諧振頻率，可使單個(gè)天線支持分布在非常寬的頻譜范圍內(nèi)的多個(gè)頻段。

顯示了這是如何工作的。每個(gè)諧振頻率在天線上具有不同的電壓分布。電壓模式因天線類(lèi)型而異；圖 5 顯示了一個(gè)示例。

天線不同諧振頻率的電壓分布

通過(guò)將孔徑調(diào)諧開(kāi)關(guān)置于其影響最大的電壓點(diǎn)上，可以獨(dú)立地調(diào)諧每個(gè)諧振頻率，該開(kāi)關(guān)通常接近此頻率的電壓分布的頂點(diǎn)。

通過(guò)在天線的不同位置放置多個(gè)開(kāi)關(guān)，并對(duì)每個(gè)開(kāi)關(guān)使用多個(gè)調(diào)諧組件，單個(gè)無(wú)線通信天線便可支持非常廣泛的低頻、中頻和高頻頻段（圖 6）。

通過(guò)將調(diào)諧開(kāi)關(guān)放置在多個(gè)位置，單個(gè)天線可以支持各種低、中和高頻頻段。

RON和COFF的重要性

孔徑調(diào)諧開(kāi)關(guān)的兩個(gè)關(guān)鍵特性會(huì)顯著影響天線效率：導(dǎo)通狀態(tài)電阻（RON）和斷開(kāi)狀態(tài)電容（COFF）。降低 RON 可使電感調(diào)諧和電容調(diào)諧的天線效率提高數(shù)個(gè) dB（圖 7），從而對(duì)手機(jī)的整體 RF 性能產(chǎn)生較大影響；降低 COFF 也同樣重要。

降低 RON 對(duì)電感調(diào)諧和電容調(diào)諧效率的影響。

但是，RON 和 COFF 沿天線長(zhǎng)度不同位置的影響會(huì)有所不同，具體取決于電壓分布。在電壓較低的情況下，低 RON 的影響最大；電壓較高時(shí)，COFF 的影響最大。策略性地放置具有較低 RON 或 COFF 的開(kāi)關(guān)，可用于優(yōu)化針對(duì)不同頻率的調(diào)諧。

CA 的孔徑調(diào)諧

全球 LTE 運(yùn)營(yíng)商都在利用 CA 提供更高的數(shù)據(jù)速率。CA 組合了兩個(gè)或多個(gè) LTE 載波（通常在不同頻段中）以增加帶寬。由于手機(jī)中天線的總數(shù)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。

精心放置的孔徑調(diào)諧開(kāi)關(guān)可以滿足這一要求。如前所述，將調(diào)諧開(kāi)關(guān)置于諧振頻率的峰值電壓附近對(duì)該頻率具有最大的調(diào)諧效果。相反，將調(diào)諧器置于諧振頻率的零電壓處則幾乎沒(méi)有調(diào)諧效果。在靠近第一個(gè)諧振頻率的峰值電壓處放置一個(gè)開(kāi)關(guān)使其同時(shí)位于第二個(gè)諧振頻率零電壓點(diǎn)，便可在不影響第二個(gè)頻率的情況下調(diào)諧第一個(gè)頻率。

顯示了用于支持中國(guó)常用的頻段 39 和頻段 41 組合的孔徑調(diào)諧技術(shù)。在每個(gè)頻段的峰值電壓附近放置一個(gè)開(kāi)關(guān)，可以在對(duì)另一個(gè)頻段影響最小的情況下對(duì)每個(gè)頻段實(shí)現(xiàn)高效調(diào)諧。

針對(duì) CA 的孔徑調(diào)諧；在每個(gè)諧振頻率的電壓峰值附近放置一個(gè)開(kāi)關(guān)，允許在對(duì)另一個(gè)頻段影響最小的情況下對(duì)每個(gè)頻段進(jìn)行高效調(diào)諧。

結(jié)論

孔徑調(diào)諧是助力當(dāng)今智能手機(jī)支持不斷增長(zhǎng)的頻段范圍的關(guān)鍵。它顯著提高了 Tx 和 Rx 性能，克服了手機(jī)工業(yè)設(shè)計(jì)演進(jìn)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，使其能夠滿足日益復(fù)雜的 RF 需求。有效實(shí)施孔徑調(diào)諧需要大量相關(guān)專業(yè)知識(shí)，用以優(yōu)化各種應(yīng)用。天線數(shù)量的增加也意味著孔徑調(diào)諧解決方案必須很小才能適應(yīng)不斷縮小的可用空間。

Qorvo 是孔徑調(diào)諧領(lǐng)域公認(rèn)的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者，在幫助領(lǐng)先廠商采用孔徑調(diào)諧技術(shù)實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)方面擁有豐富經(jīng)驗(yàn)。Qorvo 廣泛的高度緊湊型解決方案產(chǎn)品組合提供了超低 COFF 和低 RON 的組合，以打造最佳性能。

關(guān)于作者

Abhinay Kuchikulla 擔(dān)任 Qorvo 高級(jí)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理，負(fù)責(zé)天線調(diào)諧器的產(chǎn)品策略與方向；深厚的技術(shù)背景使他能夠?yàn)?Qorvo 帶來(lái)強(qiáng)大支持，理解并有效解決客戶問(wèn)題。他致力于新產(chǎn)品定義并管理其開(kāi)發(fā)，及時(shí)將最佳解決方案推向市場(chǎng)，并滿足客戶未來(lái)的RF要求。2016 年，其因在 Qorvo 調(diào)諧器開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)領(lǐng)域的杰出成就而被授予年度營(yíng)銷(xiāo)人物獎(jiǎng)。Abhinay Kuchikulla 于 2004 年從堪薩斯大學(xué)電氣工程專業(yè)獲得碩士學(xué)位，并在 2013 年獲得工程管理專業(yè)的碩士學(xué)位。
責(zé)任編輯:pj