阻抗匹配技術和孔徑調諧技術的對比

全球LTE智能手機的出貨量、網(wǎng)絡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ATT(美)和Verizon(美)的主要電信商開始采用LTE-Advanced 載波聚合(Carrier Aggregation)技術以提升網(wǎng)絡的速度和容量。3GPP現(xiàn)今已確定愈60種頻帶組合，其中包括頻帶內和頻帶間聚合。

正因如此，智能手機需要優(yōu)化技術以適應持續(xù)增加的頻譜分配方案和載波聚合的可能性。對手機內的LTE射頻而言，這意味著射頻必須能夠“調”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，天線效率的設計遠遠難過設定要求。在手機生產(chǎn)史的早期，天線是信號射頻系統(tǒng)設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。原設備制造商逐漸采用多種天線調諧技術以確保LTE在多頻帶上的信號表現(xiàn)。

圖1 手機的演進及相應的天線效率

LTE射頻最關鍵的是射頻前端(RFFE)，包括天線及模擬數(shù)據(jù)處理。RFFE中的功率放大器，濾波器以及電源轉化器經(jīng)設計能夠在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。而移動設備生產(chǎn)中應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) 結構圖

業(yè)界如今有兩種截然不同的天線調諧方法：

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

天線孔徑調諧Antenna Aperture Tuning (AAT)

利用可調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 。隨著頻率轉變，天線的阻抗隨之改變，天線的阻抗需要調節(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)絡的調諧元件會被調整，繼而形成新的天線饋電點阻抗以優(yōu)化功率傳遞。

至于天線孔徑調諧技術，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?。隨著頻率的變化的可變電容的負載會被動態(tài)調整，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)絡將該阻抗匹配到的饋電點目標阻抗50Ω，從而確保了調諧天線和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致良好的輻射效率—天線調諧的最優(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諧方案是如何優(yōu)化PIFA天線的表現(xiàn)的:

天線孔徑調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)可用于天線孔徑調諧技術，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)。

可調阻抗匹配方案則測量天線的阻抗并調節(jié)饋線以匹配相應阻抗，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)絡中最常使用的基于SOI或BST的元件會導致歐姆損耗并產(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“天線調諧”技術。由此發(fā)現(xiàn)，孔徑調諧技術相比下展現(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“調諧器”為射頻工程師和天線設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備。