关于孔径调谐你有什么看法？且看4G/5G智能机的表现（下）

回波损耗与天线效率

在许多情况下，回波损耗是一个很好的天线效率衡量指标。但是这两个测量值并非始终一致。

•天线的总体效率是天线辐射功率与收发器功率之比。

•天线的辐射效率是天线辐射功率与输入天线的功率之比。由于阻抗不匹配和路径中的其他损耗，来自收发器的部分功率未能传送至天线。

•失配损耗是由于天线和收发器之间的阻抗不匹配而引起的功率损耗。当天线阻抗等于收发器阻抗的共轭复数时，天线和收发器之间的功率传输值最大。

•回波损耗是传输功率与反射功率之比。如果收发器的阻抗与天线阻抗匹配良好，则反射功率非常小。回波损耗值大表示天线和收发器之间的功率传输效率高。要求回波损耗 >10 dB，这样可以提供 >90% 的功率传输效率。

天线辐射效率不包括由于回波损耗引起的反射功率。因此，判断天线性能的最佳方法是查看天线的总体效率 [即天线的总体效率 (dB) = 辐射效率 (dB) + 失配损耗 (dB)]，如图 9 所示。

天线的总体效率由天线辐射效率和天线与 RF 前端之间的失配损耗组成。回波损耗能够较好地衡量传送至天线的信号功率，而天线辐射效率则衡量天线辐射该信号功率的能力。天线可能与 RF 前端匹配良好（从而提供非常好的回波损耗），但却无法有效地辐射该信号。

通常，当效率较高时，回波损耗也较好，但并非始终如此。这是什么原因？

天线的总体效率 (dB) = 辐射效率 (dB) + 失配损耗 (dB)

图 9. 回波损耗与天线总体效率比较

图 11. 降低 RON 对电感调谐和电容调谐效率的影响。

但是，沿着天线的长度方向，RON 和 COFF 影响存在差异，具体取决于电压分布。低电压时，低 RON 的影响更大；高电压时，COFF 的影响更大；针对不同频率的调谐优化，可采用低 RON 开关或低 COFF 开关的布局策略。

来自断开开关的寄生电容 COFF 会影响谐振频率和效率，具体取决于它在天线上的位置和 COFF 的值。如图 12 所示，其中采用平面倒 F 型天线 (PIFA)，SPST 开关产生 COFF。

开关在天线上的位置从左（低阻抗）向右（高阻抗）移动，开关的 COFF 从 0.1 pF 变化至 0.4 pF。在天线的低阻抗区域（左侧），COFF 的值对损耗和 RF 响应的影响非常小。但随着开关位置向天线的高阻抗区域（右侧）移动，SPST 开关的 COFF 使谐振频率发生变化并导致更高的损耗。因此，将调谐器放置在天线的高阻抗区域时，必须选择具有极低 COFF 的调谐器。

除了调谐器的 COFF 之外，由于走线和焊盘引起的寄生电容也会使性能下降。对于 PIFA 应用来说，COFF 的影响随着与馈电/接地的间距加大而增加。RF 响应和开关损耗效率随着 COFF 远离调谐器的位置而发生改变。图 12 显示了位置和 COFF 电容对 RF 响应的影响，随着距离和电容的增加而产生更高损耗。

图 12. COFF 与调谐器位置的关系。

消除不必要的谐振

消除不需要的谐振也非常重要，该谐振可能是调谐电感连接到 RF 端口的情况下由调谐器开关的 COFF 引起的。

图 13 显示了典型的孔径调谐器应用以及带有和没有内部接地端口的情况。在天线和调谐组件之间连接一个 SP4T 调谐器开关，以便将天线调谐到不同的频段。天线通过 RF3 端口连接至一个电容，而其他三个端口为断开状态。

常见的孔径开关在断开状态下是容性开关，在导通状态下则为阻性开关。因此，RF1、RF2 和 RF4 在断开状态下，可能会由于调谐电感和断开状态电容 (COFF) 而产生的不必要的谐振。然而，为了抑制不必要的谐振，RF2 和 RF4 电感的断开端口可以通过开关在内部接地，从而使调谐电感与引起谐振的电路断开连接。

这些不需要的谐振会使 RF 响应失真，并且还会降低天线之间的隔离性能。如图 13 的最右侧所示，调谐器开关能够将 RF 端口在内部接地，使得外部调谐电感与电路断开连接，从而消除不需要的谐振。

图 13. 使用接地开关功能消除谐振。

面向载波聚合的孔径调谐

世界各地的 LTE 运营商都采用载波聚合 (CA) 来提供更高的数据速率。CA 将两个或多个 LTE 载波（通常在不同的频段中）组合起来，以增加带宽。由于手机中的天线数量有限，这通常意味着单个天线必须在两个频段上同时通信。

精心放置孔径调谐开关可以满足这一要求。如前所述，将调谐开关放置在谐振频率的峰值电压点附近，对该频率的调谐效果最好。

相反，将调谐开关放置于谐振频率的零电压点，几乎没有任何调谐效果。通过确定开关的位置，使其在一个谐振频率的峰值电压点附近，同时又在另一个频率的零电压点附近，这样可以调谐前一个频率而不影响后一个频率。

天线开关的放置

图 14 显示了用于支持频段 39 和频段 41 组合（通常用于中国）的孔径调谐。在每个频率的峰值电压点附近放置一个开关，可以对每个频段进行高效调谐，而且对另一个频段的影响最小。

ESD 保护

手机设计人员在解决手机中的静电放电 (ESD) 问题时依然面临着挑战。良好的 ESD 设计方法是在组件级、在设计期间以及最终测试时，使用多层面的系统级方法。该方法包括按照国际电工委员会 (IEC) ESD 标准 61000-4-2 进行设计和测试。IEC 61000-4-2 被视为终端产品 ESD 测试和评级的行业标准，它用于帮助确定系统对现场外部 ESD 事件的易损性。

我们建议在设计手机 ESD 解决方案时使用系统高效 ESD 设计 (SEED) 方法。SEED 是一种实现板载和片上 ESD 保护的协同设计方法。将 SEED 与建模和仿真结合使用，能够帮助设计人员分析并实现系统级 ESD 稳健性。

我们还建议将所有 ESD 保护放在孔径调谐器之前，因为这样可以最大限度地保证减小 ESD 事件。此外，务必尽可能缩短 ESD 保护器件之间的走线，因为它们会产生不必要的电感。

图 15. 使用电感提供 IEC 61000-4-2 ESD 保护

使用电感提供 ESD 保护时，请选择低电感值，这样可以提供更多保护。（参见图 15）但请注意，这些电感会影响插入损耗。

有时，使用瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管作为初级 ESD 钳位效果最佳，如图 16 所示。使用具有小电容的 TVS 二极管可避免天线输入失谐，并降低谐波失真。

正常工作时，TVS 二极管保持开路。一旦发生 ESD 事件，它将提供低阻抗路径接地。ESD 事件结束后，TVS 回到开路状态。

图 16. 使用 TVS 二极管提供 IEC 61000-4-2 ESD 保护

THE END

深入了解：SEED 方法与 ESD观看分步教程视频，阅读关于使用 SEED 应对移动设备中 ESD 挑战的博文系列（共 3 部分）。https://www.qorvo.com/design-hub/videos/system-efficient-esd-design-seed-methodology

结论

为使当今的智能手机能够支持不断增加的频段范围，孔径调谐至关重要。这项技术可以显著提高 Tx 和 Rx 性能，以应对手机工业设计变化带来的挑战，从而满足日益复杂的 RF 要求。

孔径调谐的有效实施需要大量有关如何采用该技术以优化不同应用的知识。更多天线也意味着孔径调谐解决方案必须足够小，才可以放置到不断缩小的可用空间内。

Qorvo 是公认的孔径调谐产品的市场领导者，拥有丰富的经验，可帮助领先制造商采用孔径调谐以实现其目标。Qorvo 丰富的高度紧凑型解决方案组合提供了最大限度提高性能所必需的超低 COFF 和低 RON。