【導(dǎo)讀】隨著智能手機的演變，智能手機需要不斷地優(yōu)化技術(shù)來適應(yīng)不斷增加的頻譜。而對于手機的LTE射頻，射頻必須能夠調(diào)頻，這就要求天線在所有頻帶上都具有高效率。本文就來探討阻抗匹配根本無法與孔徑調(diào)諧匹敵的原因。
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，而3GPP電信標準組織也已為LTE標準分配超過40個頻段。隨著用戶數(shù)和通信量 的負荷持續(xù)加重，諸如AT&T(美)和Verizon(美)的主要電信商開始采用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(xiàn)今已確定愈60種頻帶組合，其中包括頻帶內(nèi)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(yīng)持續(xù)增加的頻譜分配方案和載波聚合的可能性。對手機內(nèi)的LTE射頻而言，這意味著射頻必須能夠“調(diào)”這些頻帶當中的任何一個，而這進一步要求該天線需要在所有頻帶上保持高效率表現(xiàn)。
但是說得容易做得難，天線效率的設(shè)計遠遠難過設(shè)定要求。在手機生產(chǎn)史的早期，天線是信號射頻系統(tǒng)設(shè)計師最后考慮的問題。早期手機體積大，數(shù)據(jù)率低，加 上全球只有4個頻帶。這些因素確保早期手機的高信號性能表現(xiàn)不成問題。而快進到2015年，隨著而大屏幕和大電池則成為主流，手機已經(jīng)演進為精密的智能手 機。原設(shè)備制造商逐漸采用多種天線調(diào)諧技術(shù)以確保LTE在多頻帶上的信號表現(xiàn)。
圖1：手機的演進及相應(yīng)的天線效率
LTE射頻最關(guān)鍵的是射頻前端(RFFE)，包括天線及模擬數(shù)據(jù)處理。RFFE中的功率放大器，濾波器以及電源轉(zhuǎn)化器經(jīng)設(shè)計能夠在50歐—天線饋端(天線和RFFE連接處)的目標阻抗—以最高效率運作。
天線饋端的天線阻抗取決于天線的類型。而移動設(shè)備生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的是雙波段PIFA天線。在諧振頻率中，天線的饋電點阻抗為純電阻(PIFA天線大 約 90Ω ，偶極子天線約72Ω ，而單極子天線約36 Ω ) 。為了最大限度地提高輻射效率， 利用簡單的固定匹配電路能將天線的阻抗匹配為50 Ω，借此提高輸入天線功率的輻射。
圖2：LTE射頻輻射前端(RFFE 或 Radio Frequency Front End) 結(jié)構(gòu)圖
業(yè)界如今有兩種截然不同的天線調(diào)諧方法：
可調(diào)式阻抗匹配調(diào)諧Tunable Impedance Matching (TIM)
天線孔徑調(diào)諧Antenna Aperture Tuning (AAT)
利用可調(diào)阻抗匹配的方法要求在天線和接收機/發(fā)射機之間植入可變匹配網(wǎng)絡(luò) 。隨著頻率轉(zhuǎn)變，天線的阻抗隨之改變，天線的阻抗需要調(diào)節(jié)回RFFE要求的50Ω 。這就需要一個閉環(huán)系統(tǒng)監(jiān)測入射和反射功率或測量天線阻抗的實部和虛部。基于這些測量，匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)諧元件會被調(diào)整，繼而形成新的天線饋電點阻抗以優(yōu)化功 率傳遞。
至于天線孔徑調(diào)諧技術(shù)，一個高Q值可變電容被放置在輻射元件的一個適當?shù)奈恢谩ｋS著頻率的變化的可變電容的負載會被動態(tài)調(diào)整，使得天線諧振頻率與工作 頻率相匹配。匹配諧振頻率與工作頻率有利于使天線的饋電點阻抗在整個工作范圍保持相對穩(wěn)定，同時一個簡單的固定網(wǎng)絡(luò)將該阻抗匹配到的饋電點目標阻抗 50Ω，從而確保了調(diào)諧天線和RFFE之間最優(yōu)化的功率傳輸。
為了更好地理解的一個典型的PIFA天線的實現(xiàn)方法，作者將描繪其阻抗的實部和虛部，以及解釋它們是如何隨著頻率變化而改變。
圖3：PIFA在不同頻率中的阻抗表現(xiàn)
圖3顯示的PIFA天線頻率被調(diào)節(jié)到920Mhz(頻帶B8)，此時電抗盡可能接近0Ω而電容盡可能大，約90Ω。高電阻和低電感抗的組合直接導(dǎo)致良 好的輻射效率—天線調(diào)諧的最優(yōu)狀態(tài) 。然而，如果 圖3中的PIFA天線在860MHz（頻帶B5）運作，可以發(fā)現(xiàn)電抗顯著增大至將近60Ω 。這天線組件的電感效應(yīng)囤積而不輻射能量，從而降低了天線的運作效率。此外，該天線在頻帶B5運作時嚴重不匹配，降低了從饋線至低效率天線的功率傳遞。
下文解釋兩種天線調(diào)諧方案是如何優(yōu)化PIFA天線的表現(xiàn)的:
天線孔徑調(diào)諧方案作用于改變可變電容的負載，將天線的諧振頻率與的工作頻率相匹配。諧振頻率的調(diào)整最大限度地降低天線的阻抗（ 接近0Ω ），并最大化其電阻（ 接近90Ω ） 。這使天線能在頻譜任何一處保持最佳表現(xiàn)，如圖3中虛線曲線所示。此外，具有小于0.3dB插入損耗的超低損耗射頻微電機系統(tǒng)(RF MEMS) 可變電容器現(xiàn)可用于天線孔徑調(diào)諧技術(shù)，進一步極盡利用天線的輻射，最小化功率損耗(被囤積在RFFE內(nèi))。
可調(diào)阻抗匹配方案則測量天線的阻抗并調(diào)節(jié)饋線以匹配相應(yīng)阻抗，介此優(yōu)化從50Ω RFFE到天線呈現(xiàn)的可變負載的功率轉(zhuǎn)化。然而，阻抗匹配并不能避免天線的電抗特性，這特性使得天線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的元件會導(dǎo)致歐姆損耗并產(chǎn)生巨大的(>1dB)插入損耗，這進一步限制可調(diào)阻抗匹配的功率傳輸優(yōu)化。
這篇文章分析了如今最常見的兩種“天線調(diào)諧”技術(shù)。由此發(fā)現(xiàn)，孔徑調(diào)諧技術(shù)相比下展現(xiàn)了雙重優(yōu)勢： 維持天線的諧振能力的同時同步防止饋電點不匹配。這性能可靠，高表現(xiàn)，以及低損耗的射頻微機電“調(diào)諧器”為射頻工程師和天線設(shè)計師提供高效天線和低成本 RFFE，以制造一流的智能手機射頻設(shè)備。
相關(guān)閱讀：
專家詳解：汽車門禁UHF模塊設(shè)計及阻抗匹配
阻抗匹配與零歐電阻在PCB設(shè)計中發(fā)揮什么作用？
阻抗匹配原理及負載阻抗匹配
