过去十年，天线调谐技术领域发生了巨大变化。天线变得更小、性能更强，能处理更多的射频信号。这些发展的核心是绝缘硅片 (SOI) 技术——它提供的调谐能力提高了设计灵活性，并大幅改善了性能。
复杂射频世界中的器件性能
有时候，科技似乎在飞速发展，日新月异——产品变得越来越小，处理速度越来越快，我们的世界刹那间便不同以往。移动设备的天线也是如此。支持许多频段的更小移动设备使得天线更加复杂。对于工程师而言，这种复杂性也是需要攻克的障碍。与此同时，技术开发工程师每推出一代新技术，都会做出渐进式改进，通过这种持续改善来帮助满足更严格的系统要求。这篇博客文章介绍绝缘硅片 (SOI) 技术的进步如何让我们的器件在复杂的射频世界中性能更佳。
多年来，移动设备支持的频段增长了十倍。在过去二十年左右的时间里，我们的移动设备支持 Wi-Fi、Bluetooth®、GPS 频段，当然还有蜂窝频段。值得注意的是，自 5G 引入以来，蜂窝和 Wi-Fi 频段开始涵盖更高的频率区域——3 GHz 以上，包括 5-7 GHz。如今，我们看到超宽带和毫米波也纳入其中。最新的移动设备具备支持所有这些频段的天线，这使得设计工程师在优化天线效率、功率和工作范围方面面临挑战。为了应对这些设计挑战，必须使用更新的 SOI 技术。
蜂窝频段简介
影响天线设计的一个方面是蜂窝频谱重新分配和获取 (re-farming and acquisitioning)。新频段已在整个蜂窝频谱中可用，有助于拓宽整体带宽，并带来提升容量和数据速度的额外优势。让我们仔细看看这些低、中、高蜂窝频段：
• 低频段 – 600 MHz 至 960 MHz
容量有限，但覆盖面积大，具有室内穿透性
• 中频段 – 1.71 GHz 至 2.17 GHz
容量较高，对城市地区有利
• 高频段 – 2.3 GHz 至 2.69 GHz
覆盖范围或工作范围有限，但具有非常高的潜在容量
深入了解中高频段蜂窝天线
如图 1 所示，这种天线结构支持低、中、高蜂窝频段。我们使用下面的天线 PC 板布局，对两代 SOI 技术（上一代和当前一代）进行了比较。在此应用中，我们使用三个天线调谐器：U2、U3 和 U4，以帮助针对覆盖范围和工作范围调整低、中、高频段。图 1 还显示了一个 4 极天线调谐器的示例框图，其类似于此应用中使用的调谐器。
图1：低、中、高频段天线结构
这种结构使用三个天线调谐器，支持以下频段：
• U2 支持中频段和高频段调谐
• U3 支持低频段调谐
• U4 支持低-中-高频段调谐
开关 RON 和 COFF 回顾
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。（另见移动 5G 设备天线调谐揭秘博客文章）
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。
SOI 技术对比数据
为了减少 PC 板布局的代际变化，新的 SOI 天线调谐器保持引脚兼容。这有助于降低系统设计人员的工程成本。
关于 SOI 技术改进，当前一代调谐器改善了衡量开关导通电阻的指标 RON。衡量开关关断状态电容的 COFF 也有所改善。这两个品质因数都是决定表 1 所示天线整体效率的因素。此外，当前一代调谐器改进了低、中、高每个频段的所有目标规格。
低、中、高频段测量对比数据
从表 1 可以看出，在低频段和高频段，上一代调谐器很难满足效率目标。这部分是由于 SOI COFF 寄生电容会产生损耗。使用当前一代 SOI 调谐器可降低 COFF 电容。通过每个天线调谐器开关分支的信号泄漏随之减少。此外，当前一代调谐器的 RON 略有降低。这一改进导致开关路径接通时的开关电阻更小。RON 和 COFF 的这些改进有助于开关隔离，减少信号损耗，并提高效率。
每代 SOI 技术的天线均需进行调谐以优化性能。请注意，天线调谐产品之间的 COFF 差异会导致天线响应的频移，这在调谐每个频段时应予以考虑。由于这种频移，需要对匹配电感值进行调整，使天线谐振与期望的频段相符。
下表 1 显示了上一代与当前一代的整体系统性能对比。在低、中、高各个频段，当前一代的系统天线性能都有相当可观的提高。这进一步体现了 SOI 技术品质因数提高的原因。
表 1：两代 SOI/产品的对比数据
新技术开发的一个共同主题就是每一代更新都会改进以前的设计。SOI 技术也是如此。每一代改进都将应用于新技术创新产品中。SOI 已经存在了一段时间，并且有许多技术改进。是否在设备设计中使用最新的尖端技术，可能是产品成功与否的关键。使用当前一代 SOI 将能提供所需的天线效率，满足最终产品的工作范围、数据速度和容量要求。有关所述应用的详细信息，请随时通过技术支持联系我们。
移动 5G 设备天线调谐揭秘
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关于作者
Chris Williams高级应用/ 系统工程师
Chris 是天线调谐技术主题专家，在设计和测试所有蜂窝频段上工作的天线方面拥有丰富的经验。他负责了解客户的天线架构，以便 Qorvo 能够进一步改进技术，帮助客户应对设计挑战并拓展应用领域。
