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为什么Vpeak是最关键的孔径调谐器参数
材料来源:《微波杂志》2018年9/10月号           录入时间:2018/10/21 10:38:58

为什么Vpeak是最关键的孔径调谐器参数

Why Vpeak is the Most Critical Aperture Tuner Parameter

Skyworks Solutions, Inc.

Irvine, Calif.

射频前端的设计师要面临诸多因素。其中最具挑战性之一的是将天线调谐到最佳性能。好的天线设计与孔径调谐相结合,可实现更宽的带宽、更高的数据速率、更低的功率、更长的电池寿命、更小的占板面积并减少物料成本。本文中,我们将讨论Vpeak即峰值电压,在选择天线孔径调谐的正解时,它是天线调谐器最重要的参数之一。

定义

设计、选择一只天线调谐器时,要考虑的重要定义、指标等包括:

总辐射功率(TRP, Total radiated power是一只天线发射出来的总功率多少的度量,总全向灵敏度(TIS, total isotropic sensitivity是一个天线系统的接收灵敏度的度量。

孔径调谐,改变一只天线的电长度,将其谐振偏移在所需的频带。天线孔径调谐器通过增加一只天线的有效尺寸或改变其方向图来改善TRP和TIS。阻抗调谐旨在将天线的阻抗与RF前端的阻抗匹配,以优化传输到天线的功率。成功的匹配将改善TRP和TIS。

Vpeak指的是天线调谐器能够承受、并且仍然具有可接受的谐波性能的最大电压。Coff是天线调谐器的开关在“关(off)”态时天线调谐器所呈现的电容。降低Coff会增加调谐器的Q值,并影响天线的效率和有效调谐范围。Ron是天线调谐器的开关在“开(on)”态时天线调谐器所呈现的电阻。降低Ron通常会得到更高的天线效率,同时提高TRP和TIS。为了防止TRP、TIS和载波聚合性能的下降,需要高线性度的开关。

为什么VPEAK是重要的?

一只天线调谐器可视为一个谐振电路。一个匹配或谐振电路内的峰值电压,可以远大于其输入或输出电压。这是因为,即便匹配电路的输入和输出匹配到了50 Ω,内部的阻抗也可以大于50 Ω。一只孔径调谐器通常放置在天线附近,此处的阻抗通常大于50 Ω。一只调谐元件上的峰值电压,取决于输入功率电平、天线/匹配电路的结构以及电路的有载Q值。例如,Pin = +35 dBm处,一个匹配电路内部的一只并联电容器上的峰值电压可以高达32 V(见图1),并取决于VSWR(见表1)。

1 简化的孔径天线(调谐器直接安装在天线辐射支路上)。

孔径调谐包括将一个调谐元件放在辐射结构的一处适当位置,该位置并未直接连接到天线馈源的匹配电路。这就保证了最高的天线辐射效率,并防止了工作中馈点阻抗在频谱上变化。一只天线调谐器所需的Vpeak,取决于调谐器沿天线放置的位置及其到天线短路引脚的距离(见图2);离短路引脚越近则Vpeak越小,离短路引脚越远则Vpeak越大。调谐元件放置在电压分布最大的某个位置处时,孔径可调谐性是最有效的。由于这些因素,一只孔径调谐器上的最大电压可能远高于天线馈点处的电压。

2 调谐元件的位置对Vpeak的影响。

天线调谐器的峰值电压,是在天线调谐器设计中通过FET开关堆栈中的RF电压分压来设置的。应用中使用一只Vpeak不足的天线调谐器,会导致永久、灾难性的损伤。即使调谐器没有受损,选择一只Vpeak不足的调谐器会显著劣化TRP和TIS,导致过大的谐波,使得手机不能通过认证并延迟产品的发布。

确定合适的调谐器

在选择合适的孔径调谐器时有几个考虑因素。虽然Ron、Coff和Vpeak都是关键参数,但第一步是确定Vpeak指标。调谐器件是用于设置谐振频率的,因此,通常要承受电路中最大的电压或电流。一旦超过Vpeak,调谐器就开始了一个击穿周期,线性度劣化且调谐开关会发射出潜在有害的谐波。选择一只Vpeak不足的调谐器,可能会导致差的TRP并不能通过辐射杂散发射(RSE, radiated spurious emissions)认证。

Vpeak是不能在一个天线上测得的,因为测量和触及天线的行为会改变天线的RF特性。因此,天线调谐器上期望的Vpeak必须进行仿真。一旦确定了Vpeak,就需要选择Ron和Coff来实现TRP的目标。这也是通过仿真来完成的。根据特定的天线设计和调谐频带,Ron或Coff对天线效率可能有更大的影响。

数据手册中的VPEAK

RF半导体行业还没有一个通用的方法来测试、说明Vpeak。一些供应商仅在数据手册的绝对最大额定值表中给出一个数值。这足以描述元件可能受损的电压下限,但它不能保证元件正常工作、能够通过系统级的RSE测试。其他供应商可能会在电学指标表中给出Vpeak值,但未指明能确保的性能等级。无论一只调谐器在何处使用,在电压高达Vpeak值时,设计师都必须确保其有足够的性能。在Vpeak以上使用一只调谐器的后果是谐波被注入到系统中,这可能导致RSE过大和/或天线效率低于预期。

Skyworks公司采用谐波性能来说明Vpeak。扫描输入功率并测得二次和三次谐波。Skyworks数据手册上的Vpeak标识了谐波大于-36 dBm的点,选择了符合“3GPP杂散发射要求”(章节9.2)的一个等级。杂散发射是由不希望的发射机效应引起的,例如谐波、寄生、互调和频率变换,但不包括带外发射。举一个例子,Skyworks的Sky19250是一种额定Vpeak为80 V的SPST(单刀单掷)天线调谐器。性能测试结果如图3所示。80 V以上的谐波性能优于- 36 dBm。

3 SkyworksSPST天线调谐Vpeak

Skyworks采用了一种标准化的Vpeak测量系统(见图4)来表征调谐器。峰值电压是通过50 Ω环境中且高功率水平不会损伤待测器件的一种高功率测量来验证的。为了无损地测量Vpeak,天线调谐器按一种并联结构配置,所有的并联支路都安全地处于“关”态(见图5)。

4 Vpeak测量装置。

5 在所有支路关闭的并联结构中测量Vpeak

总结

选择满足Ron、Coff和Vpeak判据的正确的孔径调谐器组件以匹配天线设计是很重要的。天线调谐器的Vpeak对射频系统的性能至关重要。使用Vpeak不足的一只天线调谐器可能会导致差的TRP、TIS和认证失败。仅依靠数据手册的绝对最大额定值表中的Vpeak是不够的。谐波是Vpeak真实性能的最佳指标,因此应该在数据手册的电气指标中定义Vpeak。为了安全、可靠地测试并选择合适的天线调谐器元件,必须采用一套良好校准过的Vpeak测量系统。


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