移动 5G 设备天线调谐揭秘

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本文来自Qorvo半导体
 
要设计多个移动天线?面临效率下降问题?这里有一份指南,可帮助您使用 COFF 电容设备开发天线性能出色的产品,从而提高系统效率,扩大覆盖范围。 
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5G 技术促使移动天线必须支持的新频段数量显著增长。由于新型手机设计的复杂性,手机设计师需要在单个天线上使用越来越多的孔径调谐器。增加孔径调谐器有助于优化各频段的整体天线性能,但有时以牺牲天线效率为代价。如果天线效率和天线的各频段性能并不平衡,则整个设备的性能和覆盖范围都会受到影响。 
 
每个天线都有一个固有的谐振频率,在此频率处可实现最大天线效率。在天线上放置一个并联电容器(以降低谐振频率)或并联电感器(以提高谐振频率)可实现孔径调谐。使用多个电容器和电感器,通过天线调谐器开关可将天线调谐到多个频率,如下图所示。 
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RON 与 COFF 解读
 
孔径调谐主要采用调谐器开关和可调谐电容。这些开关的主要品质因数是导通状态电阻 (RON) 和断开状态电容 (COFF),如下图所示。对于可调谐电容来说,具有宽范围的调谐电容和良好的 Q 因数(品质因数)至关重要。RON 和 COFF 会显著影响天线效率。低电压时,RON 的影响更大;高电压时,COFF 的影响更大;采用低 RON 或低 COFF 的开关布局策略可针对不同频率优化调谐。 
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在断开状态,孔径调谐器的 COFF 会影响天线上的容性负载,从而降低谐振频率。调谐器的 COFF 越高,该频率偏离天线固有谐振频率的幅度就越大。
 
下面的图 1 显示了单刀双掷 (SPDT) 开关的 COFF 对倒 F 型天线 (IFA) 仿真效率的影响。其中所示的基准测量值是未将 SPDT 放置在调谐位置时取得。添加 SPDT 后,各端口的 COFF 分别设为 100 fF 和 200 fF。
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图 1. 
 
COFF 天线调谐
 
从基准天线切换到低 COFF 开关时,观察到频移为 40 MHz,峰值效率下降 0.3 dB。从低 100fF COFF 切换到高 200fF COFF 开关时,还会发生 40 MHz 的偏移,峰值效率下降 0.85 dB。与基准相比,最终发生了 80 MHz 的频移,总效率下降 1.15 dB。 
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图 2. 
 
要抵消因调谐器 COFF 导致的频移,可将 SPDT 的一个端口用于接通电感器,以便将天线重新调谐到其固有谐振频率。在这种情况下,天线经过两次调谐:一次由调谐器的 COFF 调谐,另一次由电感器,将天线重新校准到原始谐振状态。但是,这种方法是以效率和带宽为代价的,如图 3 所示,其中显示了天线重新调谐到 890 MHz 原始谐振频率时的效率。 
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图 3. 
 
虽然可以考虑使用 SPDT 的 COFF,但高 COFF 开关会导致峰值效率比基准测量值降低 0.47 dB。为便于手机的天线频段交换,必须进行孔径调整。
 
我们的移动设备显然变得越来越复杂。要满足用户的所有需求,这就给天线及其能力带来了一些挑战。遗憾的是,并非任何天线调谐组件都可以满足这些复杂设备系统的需求。如本篇博文所述,使用不满足需求的高 COFF 调谐器会导致明显频移,从而使天线失谐并降低整体天线效率。因此,在平衡天线效率和频段需求时,低 COFF 开关是最佳选择。
 
深入了解:
 
天线孔径调谐电子指南
 
https://www.qorvo.com/design-hub/ebooks/antenna-aperture-tuning
 
使用阻抗调谐来最大程度地提高 5G 手机的天线性能
 
https://www.qorvo.com/resources/d/qorvo-applying-impedance-tuning-to-maximize-antenna-performance-5g-phones-white-paper
 
关于 4G/5G 智能手机天线调谐的 4 点须知
 
https://www.qorvo.com/design-hub/blog/4-things-to-know-about-antenna-tuning-in-4g-5g-smartphones
 
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