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运用阻抗调谐最大限度地提高5G手机的天线性能
材料来源:Qorvo           录入时间:2020/3/24 13:49:35

随着5G的到来,手机中的RF设计也日益复杂,使得手机制造商更难满足严格的性能要求。由于手机包括更多天线,支持更多频段,要在所有条件和频率下保持天线性能变得越来越具有挑战性。阻抗调谐器可在不同的条件下,在多个频段之间,最大限度地提高RF功率传输,能够帮助解决此问题。因此,阻抗调谐器越来越多地用于优化性能,降低设计成本并满足5G要求。本白皮书介绍如何使用阻抗调谐器,并讨论不同阻抗调谐器设计的相对优势。此外还通过多个示例,演示在典型的实际应用场景中如何使用阻抗调谐来显著改善性能。

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5G加剧了移动设备设计的复杂性,使得满足性能要求变得更困难,特别是移动设备中分配给RF的空间有限的情况下。最大限度地提高天线性能是关键挑战之一。手机制造商正在添加更多天线来处理不断扩增的频段和无线标准。随着更多天线置入手机,其性能更易受外部影响,如手机接近不同材料以及用户握持手机的方式等。在这些条件下,天线阻抗可能发生变化,导致天线与RF前端(RFFE)之间的阻抗失配。当天线在不同频段通信时,天线阻抗也会发生变化。阻抗失配减少了RFFE和天线之间的RF功率传输,需增加传输功率来补偿损耗,因此会影响手机的整体RF性能并缩短电池寿命。

阻抗调谐器通过在不同使用条件下和广泛频率范围内,将天线的阻抗与RFFE的阻抗相匹配来解决此问题。这能够最大限度地增加RFFE和天线之间传输的RF功率,从而帮助智能手机制造商满足不同应用和广泛频率范围的性能要求。

RFFE和天线之间的阻抗失配

RFFE阻抗通常是恒定的50Ω,但天线阻抗会随频段和使用条件而变化。当存在阻抗失配时,在RFFE和天线之间传输的RF功率会减少。例如,当手机传输信号时,并非来自信号源(RFFE)的所有可用功率都能传输到负载(天线),这可能会导致高达几dB的损耗。损耗量取决于RFFE和天线阻抗之间的失配大小。图1显示系统在不同VSWR情况下的损耗。

图1:VSWR和阻抗损耗比较。

天线阻抗会发生两种变化:静态和动态。

天线阻抗随频率的静态变化

变化的大小将取决于天线设计。当天线在不同频段通信时,阻抗会发生变化,同一频段内不同区域的阻抗也可能不同。图2显示在1900MHz频率下匹配的天线;阻抗在其他频率下发生变化,由于阻抗失配而导致损耗。

图2:阻抗随频率变化而变化。

天线阻抗在不同使用条件下的动态变化

天线阻抗也可能动态变化,取决于握持手机的方式以及手机是否靠近其他物体。手机上的天线通常主要位于手机的底部和顶部。在具有金属外壳的手机中,天线的主要部分位于手机的外部,以最大限度地提高性能。在一般使用条件下,比如当手机放在桌子上、垂直拿着或用于传统音频对话时,这些天线不会受阻,因此能够最大限度实现其性能。但是,在某些情况下,接近不同的材料也可能导致天线阻抗变化,从而降低天线效率,增加手机中的损耗。在严重的情况下,比如手机横握,双手都挡住天线时,天线阻抗会发生很大的变化。

图3:手机位置改变天线阻抗。

解决阻抗失配问题

阻抗失配问题的解决方案是在RFFE和天线之间插入阻抗匹配网络,以最大化天线和RFFE之间的功率传输。根据最大功率传输定理,当负载阻抗是源阻抗的复共轭时,源阻抗向负载提供最大功率。因此,要实现从RFFE到天线的最大功率传输,具有50Ω源阻抗的RFFE的天线阻抗必须为50Ω。然而,尽管RFFE阻抗在所有频段通常都恒定在50Ω,天线阻抗仍随频率和使用条件而变化。要使这两个阻抗一致,RFFE和天线之间需要使用阻抗匹配网络。

什么是阻抗匹配网络?

阻抗匹配网络是一种通常由电感和电容组成的电路,用于在所需频率范围内使天线阻抗与RFFE匹配。

图4:有/没有阻抗匹配时的阻抗比较。

上述阻抗匹配网络为RFFE提供50Ω阻抗,从而为天线提供RFFE的复共轭阻抗。手机的阻抗匹配网络通常采用电感和电容,形成的网络具有相对较低的损耗,并可实现最大功率传输。传输线和变压器也可用于匹配,但不是匹配手机天线的最佳选择。

固定匹配网络的限制

如果匹配网络仅由固定电感和固定电容组成,则网络的匹配能力仅限于固定阻抗。由于天线阻抗随频率和使用条件而变化,因此固定阻抗覆盖范围有限,仅几个频段或只有一个使用条件能够获得最佳匹配。

可调谐匹配网络的优势

而另一方面,可调谐匹配网络支持匹配更宽的阻抗范围。可调谐匹配网络由可调谐为不同值的电感和电容组成。图5说明了可调谐电容相对于固定电容的优点。目标是增加6:1源VSWR和45°相位的阻抗匹配。在源和负载之间串联添加一个1.9pF固定串联电容可在830MHz下实现最大功率传输,因为在该频率下,它在源和负载之间提供了共轭匹配。但如图6所示,1.9pF固定串联电容在其他频率下并不提供共轭匹配。

图5:固定和可调谐电容匹配比较。

图6:6:1VSWR和45相位频率所需的电容。

相比之下,0.6pF至2.6pF的可调谐电容能够在非常宽的频率范围内为负载提供复共轭匹配,从而可在多个频段范围内实现最大功率传输。

选择适当的指标来量化可调谐匹配网络的优势

使用正确的指标来量化可调谐匹配网络的优势至关重要,因为一些常用的指标(如回波损耗)无法衡量匹配网络给负载增加了多少传输功率。

回波损耗是入射功率与负载反射功率之比。如果源和负载之间没有匹配网络,则可以假定,负载反射功率减少意味着有更多的功率传输给负载。例如,10dB回波损耗意味着90%的功率将从源传输至负载。但是,如果使用匹配网络帮助实现源阻抗和负载阻抗匹配,则回波损耗并非是判断传输给负载的功率大小的最佳指标。当使用可调谐匹配网络时,这尤其重要。例如,可调谐匹配网络可配置为有损状态,因此来自源的部分功率会消耗在匹配网络中。这会减少反射功率,由此减少回波损耗,但并不意味着有更多功率传输至负载。

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