利用新型調諧技術(shù)提高手機天線(xiàn)性能

　　天線(xiàn)調諧架構

　　當無(wú)源天線(xiàn)不再滿(mǎn)足帶寬要求提高、手機設計更復雜、天線(xiàn)可用空間更小等性能要求時(shí)，通常使用開(kāi)環(huán)天線(xiàn)調諧系統。在開(kāi)環(huán)系統中，可調諧元件根據靜態(tài)信息(如發(fā)射/接收頻率、調制方案或使用情況)在設定的頻段和工作模式下微調天線(xiàn)的性能(見(jiàn)圖1)。但由于開(kāi)環(huán)系統不對天線(xiàn)的運行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，因此無(wú)法具體考慮環(huán)境條件。

　　在移動(dòng)設備中，環(huán)境條件非常重要，它們在用戶(hù)行走、開(kāi)車(chē)或移動(dòng)手指時(shí)發(fā)生變化。天線(xiàn)設計者可使用自適應閉環(huán)天線(xiàn)調諧技術(shù)來(lái)應對這些條件變化。在閉環(huán)調諧方案中，失配傳感器跟蹤天線(xiàn)的運行狀況并提供反映實(shí)際情況的反饋信號。

　　失配傳感器把VSWR(反射回天線(xiàn)的功率幅度)與發(fā)射功率進(jìn)行比較并調節阻抗調諧電路。調諧算法使可調元件在各種使用情況下持續跟蹤環(huán)境條件，并把阻抗調到最優(yōu)值(見(jiàn)圖1)。

圖1：開(kāi)環(huán)(左)和閉環(huán)(右)天線(xiàn)調諧方案

　　調諧挑戰

　　理論是有用的，但在蜂窩電話(huà)中實(shí)現自適應天線(xiàn)調諧的最大障礙是缺乏電氣參數可調、損耗低且調整比足夠寬的高性能無(wú)功元件。在“高性能”方面，最具挑戰性的元件要求是功率處理能力和線(xiàn)性度。例如，GSM天線(xiàn)通常必須能夠處理最高+33dBm的發(fā)射功率，但在失配條件下，調諧元件實(shí)際上需要處理電壓高達30Vpk或功率高達+40dBm的RF信號。

　　為尋找更好的調諧材料，人們在過(guò)去幾年里進(jìn)行了大量的研究。例如，為實(shí)現可調的天線(xiàn)和濾波器，一些研究者已經(jīng)使用了微機電系統(MEMS)和鐵電材料技術(shù)(如鈦酸鍶鋇，BST)。這些技術(shù)盡管有發(fā)展前景，但目前仍面臨著(zhù)巨大的技術(shù)和制造障礙。要充分滿(mǎn)足天線(xiàn)調諧的需要，設計人員需要能支持量產(chǎn)的技術(shù)，最好是成熟的技術(shù)。

　　天線(xiàn)復雜性

　　天線(xiàn)是復雜器件，嵌入在手機中的天線(xiàn)也不例外。由于手機的RF收發(fā)器是針對50Ω阻抗設計的，因此其天線(xiàn)最好也能在整個(gè)頻段呈50Ω阻抗。但事實(shí)上，這很少能做到，因為根據電磁定律，手機天生具有天線(xiàn)帶寬窄、匹配不良和輻射效率低等特點(diǎn)。

　　因而，天線(xiàn)在整個(gè)波段通常是按非50Ω阻抗設計的，對多波段天線(xiàn)，VSWR的典型值為2:1或3:1。天線(xiàn)阻抗也受其它因素的影響，如手機握持方式(即“頭手效應”)。使用者的身體也吸收功率，進(jìn)一步限制了天線(xiàn)的輻射效率。手機天線(xiàn)通常在VSWR優(yōu)于3:1的狀態(tài)下工作，但如果使用者把手指放在天線(xiàn)發(fā)射器上，VSWR 可能提高到9:1。如果在信號鏈中所有器件都是按照在VSWR為1:1設計的，那么可能會(huì )出問(wèn)題。圖2顯示了“手效應”的影響，所謂手效應是指當手放在天線(xiàn)發(fā)射器附近時(shí)天線(xiàn)產(chǎn)生諧振點(diǎn)偏移(detuning)。這個(gè)效應改變了天線(xiàn)的諧振頻率，導致天線(xiàn)在預定工作頻率嚴重失配。

圖2：當用戶(hù)把手放在天線(xiàn)發(fā)射器附近時(shí)，天線(xiàn)的諧振頻率發(fā)生改變，導致在預定工作頻率失配。

　　當天線(xiàn)端口處在失配狀態(tài)時(shí)，RF性能迅速下降。特別需要指出的是，如果天線(xiàn)處在VSWR=3:1(多波段天線(xiàn)的常用設計指標)的狀態(tài)，大約1.25dB的功率由于反射而立即損失；如果VSWR達到5:1，失配損耗將提高到2.55dB。這樣的失配也將使功率放大器(PA)輸出功率下降，進(jìn)一步減少了輻射功率。如果手機的窄帶雙工或接收濾波器沒(méi)有端接到其特征阻抗，在其通帶中還會(huì )出現紋波，并額外帶來(lái)高達2dB的損失。在圖3中，綠線(xiàn)代表典型的WCDMA雙工發(fā)射濾波器在阻抗為50Ω時(shí)的性能。紅線(xiàn)是標準指標，藍線(xiàn)顯示當天線(xiàn)在所有相位VSWR均為5：1時(shí)的濾波器響應；注意在最壞情況下插入損耗達5dB。

圖3：當手機的窄帶雙工或接收濾波器沒(méi)有端接到其特征阻抗時(shí)，在通帶中也會(huì )出現紋波。本例中，VSWR為5:1的阻抗失配使插入損耗大幅度增加。

　　頭和手的影響、天線(xiàn)中的失配損耗、RF濾波器通帶中的紋波，以及PA輸出功率下降共同對手機天線(xiàn)發(fā)射出去的功率量造成嚴重影響。諧振點(diǎn)偏移的后果是電池壽命縮短、鏈接范圍縮小和呼叫質(zhì)量降低，并導致掉線(xiàn)數量增多。為解決這個(gè)問(wèn)題，許多服務(wù)提供商都已建立了TRP(總輻射功率)和TIS(全向靈敏度)規范。要滿(mǎn)足這些規范，在測試手機時(shí)須模擬實(shí)際使用情況(針對頭和手)，而不是簡(jiǎn)單地在50Ω環(huán)境下完成傳導性測量或在自由空間中對電話(huà)進(jìn)行測試。

　　自適應天線(xiàn)調諧有望成為滿(mǎn)足這些新型TRP和TIS規范的好方法，天線(xiàn)調諧器可以不受環(huán)境的影響而使天線(xiàn)呈50Ω特性，并使系統的其它部分在最優(yōu)條件下工作。盡管天線(xiàn)調諧器帶來(lái)一些額外的插入損耗，但同未加入天線(xiàn)調諧器的情況相比，自適應天線(xiàn)調諧將極大地降低從調諧器輸入端到天線(xiàn)輸入端的總插入損耗(見(jiàn)圖4)，進(jìn)而改善性能。

圖4：對自適應閉環(huán)系統的仿真顯示，與未使用天線(xiàn)調諧器的系統(紅線(xiàn))相比，加入天線(xiàn)調諧器(藍線(xiàn))可降低插入損耗。

　　多波段收發(fā)系統的天線(xiàn)要求自適應天線(xiàn)調諧電路能夠在一直到波段邊沿的整個(gè)波段內保證性能，能主動(dòng)跟蹤諧振點(diǎn)偏移并迅速把天線(xiàn)的諧振點(diǎn)調回來(lái)。這個(gè)調諧電路必須具有極高的線(xiàn)性度以避免產(chǎn)生諧波或互調失真，同時(shí)，還應該體積小并耐用，調諧比至少為3:1，整個(gè)電路的功耗應低于1mA。為了有效地改善性能，電路的插入損耗一定要小，因此品質(zhì)因數(Q)至少應達到50。

　　新型數字可調電容器

　　Peregrine半導體公司的設計人員已基于該公司的UltraCMOS工藝和HaRP創(chuàng )新設計開(kāi)發(fā)出DuNE技術(shù)，并已申報專(zhuān)利。DuNE數字可調電容器(DTC)芯片是為滿(mǎn)足天線(xiàn)調諧要求而設計的，它內含一些高Q值電容和一個(gè)串行接口，并具有偏置電壓低和線(xiàn)性度高的優(yōu)點(diǎn)。該器件采用倒裝芯片封裝，面向GSM/WCDMA手機的DuNE DTC的尺寸為1.36×0.81mm (見(jiàn)圖5)。

圖5：面向GSM/WCDMA應用的DuNE DTC器件倒裝芯片外觀(guān)圖。

　　實(shí)測性能

　　由于使用了完全絕緣的藍寶石基底，與笨重的CMOS和SOI技術(shù)相比，UltraCMOS場(chǎng)效應晶體管(FET)的一個(gè)主要優(yōu)勢是可以疊在一起來(lái)處理高強度的RF功率。因而，它有能力處理+40dBm以上的功率，而且在處理高強度RF功率的同時(shí)不降低Q值或調諧比。

　　該技術(shù)有潛力開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足眾多應用系統和工作條件要求的DuNE DTC。目前已設計出電容范圍為0.5pF到10pF、調諧比為3:1到6:1、分辨率為5位(32級)的DTC(見(jiàn)圖6)。這些DTC可在1到2GHz 范圍內把Q值設定為40到80 (見(jiàn)圖7)。除了在50Ω可處理>+38dBm的功率和開(kāi)關(guān)速度優(yōu)于5秒之外(見(jiàn)圖8)，這些新型DTC的功耗約為100μA(低于一些替代調諧技術(shù)的幅度)。

圖6：實(shí)測結果表明，5位DuNE DTC器件具有良好的線(xiàn)性調諧特性，電容范圍為1.15到3.4pF(調諧比為3:1)。

圖7：DuNE DTC器件的品質(zhì)因數實(shí)測結果，在900MHz時(shí)其Q值為60-70。

圖8： 當輸入功率高達+40dBm時(shí)，三次諧波幅度低于-36dBm，滿(mǎn)足GSM規范。

　　基于成熟的設計模塊和每周數百萬(wàn)出貨量的工藝技術(shù)，DuNE技術(shù)可極大地擴展手機設計人員的選擇空間。DTC的所有參數(電容值、調諧比、品質(zhì)因數、功率處理能力)都可通過(guò)電路設計而不是材料工程來(lái)改變，從而大大加快了新型專(zhuān)用設計的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。面向蜂窩電話(huà)和移動(dòng)電視應用的DuNE DTC已經(jīng)在試產(chǎn)階段，計劃在2009-2010年開(kāi)始量產(chǎn)。這項先進(jìn)的技術(shù)創(chuàng )新可以把完整的自適應天線(xiàn)調諧系統集成到單片中，進(jìn)而極大地提高了新型手機設計的天線(xiàn)性能。