阻抗匹配技術(shù)和孔徑調諧技術(shù)的對比

全球LTE智能手機的出貨量、網(wǎng)絡(luò )配置以及頻譜分配如今迅猛增長(cháng)，而3GPP電信標準組織也已為L(cháng)TE標準分配超過(guò)40個(gè)頻段。隨著(zhù)用戶(hù)數和通信量的負荷持續加重，諸如ATT(美)和Verizon(美)的主要電信商開(kāi)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現今已確定愈60種頻帶組合，其中包括頻帶內和頻帶間聚合。

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

但是說(shuō)得容易做得難，天線(xiàn)效率的設計遠遠難過(guò)設定要求。在手機生產(chǎn)史的早期，天線(xiàn)是信號射頻系統設計師最后考慮的問(wèn)題。早期手機體積大，數據率低，加上全球只有4個(gè)頻帶。這些因素確保早期手機的高信號性能表現不成問(wèn)題。而快進(jìn)到2015年，隨著(zhù)而大屏幕和大電池則成為主流，手機已經(jīng)演進(jìn)為精密的智能手機。原設備制造商逐漸采用多種天線(xiàn)調諧技術(shù)以確保LTE在多頻帶上的信號表現。

圖1 手機的演進(jìn)及相應的天線(xiàn)效率

LTE射頻最關(guān)鍵的是射頻前端(RFFE)，包括天線(xiàn)及模擬數據處理。RFFE中的功率放大器，濾波器以及電源轉化器經(jīng)設計能夠在50歐—天線(xiàn)饋端(天線(xiàn)和RFFE連接處)的目標阻抗—以最高效率運作。

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

圖2 LTE射頻輻射前端(RFFE 或 Radio Frequency Front End) 結構圖

業(yè)界如今有兩種截然不同的天線(xiàn)調諧方法：

可調式阻抗匹配調諧Tunable Impedance Matching (TIM)

天線(xiàn)孔徑調諧Antenna Aperture Tuning (AAT)

利用可調阻抗匹配的方法要求在天線(xiàn)和接收機/發(fā)射機之間植入可變匹配網(wǎng)絡(luò ) 。隨著(zhù)頻率轉變，天線(xiàn)的阻抗隨之改變，天線(xiàn)的阻抗需要調節回RFFE要求的50Ω 。這就需要一個(gè)閉環(huán)系統監測入射和反射功率或測量天線(xiàn)阻抗的實(shí)部和虛部?；谶@些測量，匹配網(wǎng)絡(luò )的調諧元件會(huì )被調整，繼而形成新的天線(xiàn)饋電點(diǎn)阻抗以?xún)?yōu)化功率傳遞。

至于天線(xiàn)孔徑調諧技術(shù)，一個(gè)高Q值可變電容被放置在輻射元件的一個(gè)適當的位置。隨著(zhù)頻率的變化的可變電容的負載會(huì )被動(dòng)態(tài)調整，使得天線(xiàn)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(xiàn)的饋電點(diǎn)阻抗在整個(gè)工作范圍保持相對穩定，同時(shí)一個(gè)簡(jiǎn)單的固定網(wǎng)絡(luò )將該阻抗匹配到的饋電點(diǎn)目標阻抗50Ω，從而確保了調諧天線(xiàn)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(xiàn)的實(shí)現方法，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(zhù)頻率變化而改變。

圖3 PIFA在不同頻率中的阻抗表現

圖3顯示的PIFA天線(xiàn)頻率被調節到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致良好的輻射效率—天線(xiàn)調諧的最優(yōu)狀態(tài) 。然而，如果 圖3中的PIFA天線(xiàn)在860MHz(頻帶B5)運作，可以發(fā)現電抗顯著(zhù)增大至將近60Ω 。這天線(xiàn)組件的電感效應囤積而不輻射能量，從而降低了天線(xiàn)的運作效率。此外，該天線(xiàn)在頻帶B5運作時(shí)嚴重不匹配，降低了從饋線(xiàn)至低效率天線(xiàn)的功率傳遞。

下文解釋兩種天線(xiàn)調諧方案是如何優(yōu)化PIFA天線(xiàn)的表現的:

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

可調阻抗匹配方案則測量天線(xiàn)的阻抗并調節饋線(xiàn)以匹配相應阻抗，介此優(yōu)化從50Ω RFFE到天線(xiàn)呈現的可變負載的功率轉化。然而，阻抗匹配并不能避免天線(xiàn)的電抗特性，這特性使得天線(xiàn)囤積儲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)一步限制可調阻抗匹配的功率傳輸優(yōu)化。

這篇文章分析了如今最常見(jiàn)的兩種“天線(xiàn)調諧”技術(shù)。由此發(fā)現，孔徑調諧技術(shù)相比下展現了雙重優(yōu)勢： 維持天線(xiàn)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，以及低損耗的射頻微機電“調諧器”為射頻工程師和天線(xiàn)設計師提供高效天線(xiàn)和低成本RFFE，以制造一流的智能手機射頻設備。