4G/5G智能机最佳实践:如何实现孔径调谐?(上)

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为使智能手机在不断增加的 RF 频段范围内高效工作并支持向 5G 过渡,天线孔径调谐至关重要。智能手机需要更多天线来支持不断增加的 RF 要求(例如新的 5G 频段、MIMO 和载波聚合),但是由于智能手机工业设计的变化,提供给这些天线的可用空间却很小。因此,天线变得越来越小,这可能会降低天线的效率和带宽。

利用孔径调谐技术可以解决这一问题,通过对天线进行调谐,就能够在多个频段高效运行,并使 Tx 和 Rx 的性能提高 3 dB。孔径调谐通过可调谐电容或调谐器开关配合调谐组件来实现;低 RON 和低 COFF 的开关是获得最大效率的关键所在。孔径调谐技术还支持天线同时在多个频段通信以支持载波聚合。实现孔径调谐需要深入了解如何针对每个应用运用该技术。

引言

天线效率在智能手机的整体 RF 性能中发挥着至关重要的作用。然而,当前的 RF 需求(尤其是即将过渡至 5G)以及智能手机工业设计的广泛趋势,意味着智能手机必须要将更多的天线安装到更小的空间内。

因此,天线尺寸不断缩小,这会降低天线效率。如果不解决这个问题,效率降低会影响发送 (Tx) 和接收 (Rx) 性能,从而导致电池续航时间缩短、数据速率降低以及出现连接问题。

更高的数据速率意味着更多的天线

向 5G 过渡意味着不断提高数据速率,这将使每部手机中的天线数量大幅增加。

实现更高数据速率的两项主要技术为载波聚合 (CA) 和多输入多输出 (MIMO),它们都需要多个天线同时运行。5G 将进一步推动这一趋势,因为 5G 要求支持四个独立的下行信道同时接收大多数频段的信号。它还要求手机带有至少四个可用于移动通信的天线。

与此同时,手机天线需要支持更宽的频段范围,这在很大程度上是由于引入了新的 5G 频段。5G 手机可能需要支持低至 600 MHz 到高达 6 GHz 的频率范围。

为了支持这些要求以及 Wi-Fi、GPS 与蓝牙,天线的典型数量将从如今 LTE 手机中的 4-6 个增加到 5G 智能手机中的 6-10 个(图 1)。将所有这些天线安装到有限的可用空间变得愈发困难。

更多更小的天线面积=更严峻挑战

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图 1. 随着向 5G 过渡,为了支持新的频段以及 MIMO 和 CA 的要求,天线数量不断增


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1、天线面积减少

随着制造商改变工业设计和不断增加新功能,天线的可用空间不断缩小,这个问题愈发严重。其中一项重大变化是改用全屏手机,显示屏几乎占据了手机的整个正面;因此,在屏幕之外可供天线使用的空间更少。制造商还增加了更多的摄像头,使手机内的可用空间进一步缩小。

要将更多的天线安装到更小的空间内意味着天线变得越来越小,天线尺寸缩小将导致天线效率降低。图 2 显示采用全屏设计时,天线效率如何随着手机顶部的辐射元件与地(位于屏幕边缘)之间的距离缩小而降低。

天线数量更多且尺寸更小,还意味着手机对其环境变化(例如手握电话的位置)引起的瞬态效应更敏感。这些瞬态效应可能包括效率降低和频率响应漂移。

2、理想天线的仿真性能

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图 2. 全屏智能手机设计使天线的可用面积缩小、效率降低。


3、天线性能权衡三角形

图 3 的天线“权衡三角形”显示了天线尺寸缩小对效率和带宽的影响。如果天线尺寸保持不变,则可以通过牺牲效率以换取更宽的带宽。

在天线尺寸较大的上一代手机中,这种权衡方案可能还是可以接受的,因为天线仍然既能满足性能要求,同时还支持更宽的频段范围。但随着天线尺寸缩小,这种权衡方案就行不通了;在新的全屏设计中,天线只能在较窄的频率范围内达到所需的效率水平。

因此,为了满足目前手机设计需支持的宽频率范围,必须进行天线调谐,以便在每个频率均实现高效工作。


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图 3. 天线性能权衡三角形


孔径调谐:开关调谐

目前,为了克服因天线面积和效率降低所导致的问题,手机中主要采用孔径调谐法。随着向 5G 过渡,使智能手机支持不断扩大的频段范围至关重要。

孔径调谐对发射和接收通信应用的天线效率都会产生很大影响,根据不同的应用,总辐射功率 (TRP) 和总全向灵敏度 (TIS) 可提高 3 dB 甚至更多。

天线调谐概念如图 4 所示。在天线和地之间连接一个开关,用来调节天线的谐振频率,以匹配手机通信当前使用的频率。

在开关和辐射元件之间添加不同的调谐组件(电容或电感),可进一步调节谐振频率,以支持不同的频段。图 4 显示了开关断开、导通时以及在电路中添加电感或电容时天线的谐振频率。

为了说明孔径调谐的概念,图 4 中的每个组件都连接至一个简单的开关。然而,在一些应用中(例如主手机天线),可以使用更复杂的多掷开关来连接多个调谐组件,支持更宽的频段范围。

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图 4. 孔径调谐


1、选择合适的调谐组件

选择合适的调谐组件非常重要。例如,最好避免使用超过 36 nH 的电感,因为其自谐振频率较低。此外,由于 PC 板布局引起的寄生效应会进一步降低电感的自谐振频率,使谐振处于蜂窝网络频率范围内。

使用低于 0.5 pF 的电容值很可能意味着选择的组件具有高容差。然而,高容差电容会导致电容值的变化超出预期,从而产生调谐和效率问题。

2、布局和设计指南

在设计 RF 系统和添加天线孔径电路时,必须要考虑寄生效应。在考虑电路布局时了解会产生寄生效应的位置非常重要,因为它们会导致谐振频率的损失与变化。

在进行手机的 PC 板布局时,需要考虑焊盘尺寸和焊盘形状,因为焊盘或走线布局不当会增加寄生电容和电感。

考虑重点:

  1. 减少短接,因为它们可能导致信号完整性问题。
  2. 减少走线宽度突然变化的设计,例如 90 度弯曲。最好采用平滑过渡的方式。(参见图 5)
  3. 优化焊盘尺寸和位置,因为它们会增加寄生电容。
  4. 尽可能使孔径调谐器和 RF 天线馈电点之间的距离最小,以最大限度地减小寄生效应对天线响应的影响。
  5. 创建良好的 RF 反向电流路径。接地端靠近天线时会降低天线效率,应格外小心。
  6. 针对每个接地连接使用一个或多个专用过孔,以最大限度地减小对地电感。
  7. –将过孔放在接地焊盘中并用环氧树脂进行填充。
  8. –使用一个或多个过孔来降低电感和电阻。
  9. 确保通过低阻抗路径将接地路径连接到电路板地。这能最大限度地减少噪声耦合并改善调谐器的线性度。
  10. 在所有 RF 组件周围提供足够的离地间隙。尽量不要将地靠近 RF 端口放置,因为这会增加寄生电容。(参见图 6)
  11. 避免在调谐器下布局电源走线和控制走线,因为来自电源线和控制线的噪声会耦合到天线上。在孔径调谐器和可能产生噪音的所有电源线和控制线之间使用接地层。
  12. 长度超过 5 mm 的电源线走线需使用铁氧体磁珠或扼流圈。


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图 6. 电感与地和组件。

避免:
• 对 RF 连接使用热阻。
• RF 走线路由经过多层。这会使走线阻抗失真并增加通过走线的反射功率和插入损耗。
• 在调谐器以及连接开关和天线的 RF 走线下方或周围放置悬浮接地层。

3、调谐天线以支持多个频率范围

一个天线拥有多个固有谐振频率。它们之间为谐波关系:例如,天线的谐振频率可以是 900 MHz、1800 MHz(二次谐波)、2700 MHz(三次谐波)等。使用孔径调谐开关对这些频率中的每一个频率进行调谐,单个天线就能够支持分布在非常宽的频谱范围内的多个频段。

图 7 显示了这一工作原理。每个谐振频率沿天线具有不同的电压分布。电压分布模式随天线类型而不同;图 7 显示了一个示例。

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图 7. 一个天线在不同谐振频率下的电压分

可针对这些谐振频率中的每个频率独立调谐,只需将孔径调谐开关放置在效用最大的位置,它通常是在该频率下电压分布的最高点附近。

只需沿天线的不同位置放置多个开关,并使用多个调谐组件搭配每个开关,单个手机天线就能够支持非常宽范围的低频段、中频段和高频段(图 8)。

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图 8. 在多个位置放置调谐开关,单个天线就能够支持宽范围的低频段、中频段和高频段。

在文章的下半部分,我们将会深入介绍回波损耗与天线效率和消除不必要的谐振等方面的内容,敬请期待!

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关于孔径调谐你有什么看法?且看4G/5G智能机的表现(上)

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在关于孔径调谐你有什么看法?且看4G/5G智能机的表现(上)一文中,介绍了当下手机天线设计带来的挑战并初步谈了一下解决问题的思路。接下来,在这篇中会给大家带来更深入的介绍和建议,希望能给大家带来帮助。

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