孔径调谐:5G 智能手机中一项必不可少的技术

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天线孔径调谐对于智能手机至关重要,可保证其在不断增加的 RF 频段范围内有效运行并支持向 5G 的过渡。智能手机需要更多天线来支持不断增长的 RF 需求,例如新的 5G 频段、MIMO,和载波聚合(CA)等。而由于智能手机工业设计潮流的不断变化,留给这些天线的空间越来越少;于是,天线也因此变得越来越小,潜在降低了其效率和带宽。孔径调谐手段允许天线在多个频带上有效地调谐,将 Tx 和 Rx 性能提高 3dB 以上,从而补偿这一问题。
 
 
孔径调谐通过与其它调谐组件组合的开关实现;具备低 RON 和低 COFF 的开关是效率最大化的关键。孔径调谐还允许天线同时在多个频段上通信以支持 CA。实施孔径调谐需要深入了解如何将该技术用于各种应用。
 
                                                    简介
 
天线效率在智能手机的整体 RF 性能中起着至关重要的作用。但是,当前的 RF 需求(尤其是即将向 5G 的过渡)和智能手机工业设计的广泛趋势,意味着其必须在更少的空间中安装更多的天线。因此,天线尺寸不断缩小,导致了其效率的降低。如不针对此问题进行补偿,效率的降低可能会影响 Tx 和 Rx 性能,从而导致电池寿命缩短、数据速率降低以及连接性问题。
 
 
对 5G 的支持致使复杂性不断攀升,再加上工业设计方面的约束,会对天线性能产生负面影响,导致数据速率和电池寿命降低”。
 
                               5G 手机需要更多天线以提供更快的数据速率
 
向 5G 的过渡意味着对更高数据速率的不断追求,并将显著增加每部手机中的典型天线数量。
 
提供较高数据速率的两种主要技术是 CA(载波聚合)和多路输入/多路输出(MIMO),二者都需要同时工作的多个天线。5G 将进一步推动这一趋势,因为其要求在大多数频段上支持四个独立的下行链路信道,需要手机至少包含四个用于无线通信的天线。
 
同时,很大程度上由于新 5G 频段的引入,手机天线需要涵盖更广泛的频段。5G 手机可能需要支持从较低的 600MHz 到高达 6GHz 的频率。
 
为满足这些要求并支持 Wi-Fi、GPS 和蓝牙技术,天线数量将从当前典型 LTE 手机中的 4 到 6 根,增加至 5G 智能手机中的 6 到 10 根。在有限的可用空间内安装所有这些天线变得越来越困难。
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图 1. 随着向 5G 的过渡,天线的数量不断增加,以支持新的频段,以及 MIMO 和 CA 的要求
 
                                                 更小的天线面积
 
随着制造商在工业设计上的持续革新和新功能的不断添加,可容纳天线的空间正在缩小,由此加剧了问题的严重性。一个关键的趋势是向全屏手机的转变;在全屏手机中,显示屏几乎占据了手机的整个表面,造成屏幕外用于无线通信天线的可用空间越来越少。而制造商仍不断增加摄像头,又进一步挤占了手机内部空间。
 
需要在更少的空间中安装更多天线意味着天线变得越来越小,天线尺寸的减小则导致天线效率降低。图 2 显示了在全屏设计中,天线效率如何随着电话顶部的辐射元件与接地部分(位于屏幕边缘)之间空间的缩小而降低。
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              图 2.全屏智能手机设计缩小了可用天线面积,从而降低天线效率。
 
 
 
天线数量增多,尺寸减小,这也意味着手机对因环境变化(例如手持手机的动作)而引起的瞬态效应更加敏感。这些瞬态效应可能包括效率降低和频率响应变化。
 
                                       天线性能的“三角”折衷关系
 
图 3 所示的天线“折衷三角”显示了天线尺寸减小对效率和带宽的影响。如果天线尺寸保持恒定,效率可以用来换取更大的带宽。在具有较大天线的老一代手机中,此种折衷是可以接受的,因为天线在支持更大范围频带的同时仍可满足性能要求。但随着天线尺寸的减小,这种折衷已不再可行。采用新的全屏设计,天线只能在狭窄的频率范围内达到所需的效率水平。因此,为了支持当前手机设计所涵盖的广泛频率范围,必须调谐天线以在每个频率上有效地工作。
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                               图 3. 天线性能的“三角”折衷关系。
 
                                     
                                  孔径调谐:通过开关进行调谐
 
目前,孔径调谐是解决手机因天线面积减小和效率降低所引发问题的主要方法。使智能手机能够支持不断扩大的频段范围至关重要,特别是在向 5G 过渡的情况下。
 
孔径调谐会对进行发射和接收通信的天线效率产生重大影响。根据不同的应用,总辐射功率(TRP)和总全向灵敏度(TIS)可提升达 3dB 甚至更多。
 
天线调谐技术的概念如图 4 所示。一个开关连接在天线和接地之间用于调整天线的谐振频率,以匹配电话当前用于通信的频率。
 
在开关和辐射元件之间添加不同的调谐组件(电容或电感)可用于进一步调节谐振频率,以支持不同的频段。图 4 显示了当开关断开、导通,以及在电路中添加电感或电容时天线的谐振频率。
 
在图 4 中,每个组件都连接到一个简单的开关,以阐述孔径调谐的概念。然而,在主无线通信天线和其它一些应用中,更复杂的多掷开关可用于连接多个调谐组件并支持更广泛的频带范围。
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                                        图 4. 孔径调谐
 
 
                                     多个频率范围的天线调谐
 

天线具有多个固有谐振频率,且谐波相关:例如,天线的谐振频率可以是 900MHz、1800MHz(二阶谐波)、2700MHz(三阶谐波)等等。通过孔径调谐开关来调谐每个谐振频率,可使单个天线支持分布在非常宽的频谱范围内的多个频段。

 

图 5 显示了这是如何工作的。每个谐振频率在天线上具有不同的电压分布。电压模式因天线类型而异;图 5 显示了一个示例。

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                                    图 5. 天线不同谐振频率的电压分布

通过将孔径调谐开关置于其影响最大的电压点上,可以独立地调谐每个谐振频率,该开关通常接近此频率的电压分布的顶点。

 
通过在天线的不同位置放置多个开关,并对每个开关使用多个调谐组件,单个无线通信天线便可支持非常广泛的低频、中频和高频频段(图 6)。
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                         图 6. 通过将调谐开关放置在多个位置,单个天线可以支持各种低、中和高频频段。
 
                                   
                                        RON和COFF的重要性
孔径调谐开关的两个关键特性会显著影响天线效率:导通状态电阻(RON)和断开状态电容(COFF)。降低 RON 可使电感调谐和电容调谐的天线效率提高数个 dB(图 7),从而对手机的整体 RF 性能产生较大影响;降低 COFF 也同样重要。
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图 7. 降低 RON 对电感调谐和电容调谐效率的影响。

 
但是,RON 和 COFF 沿天线长度不同位置的影响会有所不同,具体取决于电压分布。在电压较低的情况下,低 RON 的影响最大;电压较高时,COFF 的影响最大。策略性地放置具有较低 RON 或 COFF 的开关,可用于优化针对不同频率的调谐。
 
                                              CA 的孔径调谐

全球 LTE 运营商都在利用 CA 提供更高的数据速率。CA 组合了两个或多个 LTE 载波(通常在不同频段中)以增加带宽。由于手机中天线的总数有限,这通常意味着单个天线必须在两个频段上同时通信。

 

精心放置的孔径调谐开关可以满足这一要求。如前所述,将调谐开关置于谐振频率的峰值电压附近对该频率具有最大的调谐效果。相反,将调谐器置于谐振频率的零电压处则几乎没有调谐效果。在靠近第一个谐振频率的峰值电压处放置一个开关使其同时位于第二个谐振频率零电压点,便可在不影响第二个频率的情况下调谐第一个频率。

 

图 8 显示了用于支持中国常用的频段 39 和频段 41 组合的孔径调谐技术。在每个频段的峰值电压附近放置一个开关,可以在对另一个频段影响最小的情况下对每个频段实现高效调谐。

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图 8. 针对 CA 的孔径调谐;在每个谐振频率的电压峰值附近放置一个开关,允许在对另一个频段影响最小的情况下对每个频段进行高效调谐。

 

 

                                               结论

孔径调谐是助力当今智能手机支持不断增长的频段范围的关键。它显著提高了 Tx 和 Rx 性能,克服了手机工业设计演进带来的挑战,使其能够满足日益复杂的 RF 需求。有效实施孔径调谐需要大量相关专业知识,用以优化各种应用。天线数量的增加也意味着孔径调谐解决方案必须很小才能适应不断缩小的可用空间。

 

Qorvo 是孔径调谐领域公认的市场领导者,在帮助领先厂商采用孔径调谐技术实现其目标方面拥有丰富经验。Qorvo 广泛的高度紧凑型解决方案产品组合提供了超低 COFF 和低 RON 的组合,以打造最佳性能。

 
 
                                               关于作者
Abhinay Kuchikulla 担任 Qorvo 高级营销经理,负责天线调谐器的产品策略与方向;深厚的技术背景使他能够为 Qorvo 带来强大支持,理解并有效解决客户问题。他致力于新产品定义并管理其开发,及时将最佳解决方案推向市场,并满足客户未来的RF要求。2016 年,其因在 Qorvo 调谐器开发业务领域的杰出成就而被授予年度营销人物奖。Abhinay Kuchikulla 于 2004 年从堪萨斯大学电气工程专业获得硕士学位,并在 2013 年获得工程管理专业的硕士学位。
 
 
 
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