利用新型调谐技术提高手机天线的性能滚轮刀

利用新型调谐技术提高手机天线的性能

利用新型调谐技术提高手机天线的性能 2011年12月03日 来源： 如今的移动电话不仅要支持蜂窝频率，还要支持那些用于移动电视、蓝牙、WLAN和定位服务的非蜂窝特性。由于每次手机换代都缩小了天线的可用空间，天线被包在相机和键盘电路周围并重新安排路径，导致天线效率降低。一部分性能损失可以通过天线调谐得到恢复，即使用动态阻抗调谐技术根据工作频率和环境条件优化天线的性能。然而，所面临的挑战是，任何成功的天线调谐方案均须满足损耗低、线性度高、能够处理很高强度的RF信号且耗能少的要求。天线调谐架构当无源天线不再满足带宽要求提高、手机设计更复杂、天线可用空间更小等性能要求时，通常使用开环天线调谐系统。在开环系统中，可调谐元件根据静态信息(如发射/接收频率、调制方案或使用情况)在设定的频段和工作模式下微调天线的性能(见图1)。但由于开环系统不对天线的运行状况进行实时测量，因此无法具体考虑环境条件。在移动设备中，环境条件非常重要，它们在用户行走、开车或移动手指时发生变化。天线设计者可使用自适应闭环天线调谐技术来应对这些条件变化。在闭环调谐方案中，失配传感器跟踪天线的运行状况并提供反映实际情况的反馈信号。失配传感器把VSWR(反射回天线的功率幅度)与发射功率进行比较并调节阻抗调谐电路。调谐算法使可调元件在各种使用情况下持续跟踪环境条件，并把阻抗调到最优值(见图1)。

图1：开环(左)和闭环(右)天线调谐方案

调谐挑战理论是有用的，但在蜂窝电话中实现自适应天线调谐的最大障碍是缺乏电气参数可调、损耗低且调整比足够宽的高性能无功元件。在“高性能”方面，最具挑战性的元件要求是功率处理能力和线性度。例如，GSM天线通常必须能够处理最高+33dBm的发射功率，但在失配条件下，调谐元件实际上需要处理电压高达30Vpk或功率高达+40dBm的RF信号。为寻找更好的调谐材料，人们在过去几年里进行了大量的研究。例如，为实现可调的天线和滤波器，一些研究者已经使用了微机电系统(MEMS)和铁电材料技术(如钛酸锶钡，BST)。这些技术尽管有发展前景，但目前仍面临着巨大的技术和制造障碍。要充分满足天线调谐的需要，设计人员需要能支持量产的技术，最好是成熟的技术。天线复杂性天线是复杂器件，嵌入在手机中的天线也不例外。由于手机的RF收发器是针对50Ω阻抗设计的，因此其天线最好也能在整个频段呈50Ω阻抗。但事实上，这很少能做到，因为根据电磁定律，手机天生具有天线带宽窄、匹配不良和辐射效率低等特点。因而，天线在整个波段通常是按非50Ω阻抗设计的，对多波段天线，VSWR的典型值为2:1或3:1。天线阻抗也受其它因素的影响，如手机握持方式(即“头手效应”)。使用者的身体也吸收功率，进一步限制了天线的辐射效率。手机天线通常在VSWR优于3:1的状态下工作，但如果使用者把手指放在天线发射器上，VSWR可能提高到9:1。如果在信号链中所有器件都是按照在VSWR为1:1设计的，那么可能会出问题。图2显示了“手效应”的影响，所谓手效应是指当手放在天线发射器附近时天线产生谐振点偏移(detuning)。这个效应改变了天线的谐振频率，导致天线在预定工作频率严重失配。

图2：当用户把手放在天线发射器附近时，天线的谐振频率发生改变，导致在预定工作频率失配

当天线端口处在失配状态时，RF性能迅速下降。特别需要指出的是，如果天线处在VSWR=3:1(多波段天线的常用设计指标)的状态，大约1.25dB的功率由于反射而立即损失；如果VSWR达到5:1，失配损耗将提高到2.55dB。这样的失配也将使功率放大器(PA)输出功率下降，进一步减少了辐射功率。如果手机的窄带双工或接收滤波器没有端接到其特征阻抗，在其通带中还会出现纹波，并额外带来高达2dB的损失。在图3中，绿线代表典型的WCDMA双工发射滤波器在阻抗为50Ω时的性能。红线是标准指标，蓝线显示当天线在所有相位VSWR均为5：1时的滤波器响应；注意在最坏情况下插入损耗达5dB。

图3： 当手机的窄带双工或接收滤波器没有端接到其特征阻抗时，在通带中也会出现纹波。本例中，VSWR为5:1的阻抗失配使插入损耗大幅度增加

头和手的影响、天线中的失配损耗、RF滤波器通带中的纹波，以及PA输出功率下降共同对手机天线发射出去的功率量造成严重影响。谐振点偏移的后果是电池寿命缩短、链接范围缩小和呼叫质量降低，并导致掉线数量增多。为解决这个问题，许多服务提供商都已建立了TRP(总辐射功率)和TIS(全向灵敏度)规范。要满足这些规范，在测试手机时须模拟实际使用情况(针对头和手)，而不是简单地在50Ω环境下完成传导性测量或在自由空间中对电话进行测试。自适应天线调谐有望成为满足这些新型TRP和TIS规范的好方法，天线调谐器可以不受环境的影响而使天线呈50Ω特性，并使系统的其它部分在最优条件下工作。尽管天线调谐器带来一些额外的插入损耗，但同未加入天线调谐器的情况相比，自适应天线调谐将极大地降低从调谐器输入端到天线输入端的总插入损耗(见图4)，进而改善性能。

图4：对自适应闭环系统的仿真显示，与未使用天线调谐器的系统(红线)相比，加入天线调谐器(蓝线)可降低插入损耗

多波段收发系统的天线要求自适应天线调谐电路能够在一直到波段边沿的整个波段内保证性能，能主动跟踪谐振点偏移并迅速把天线的谐振点调回来。这个调谐电路必须具有极高的线性度以避免产生谐波或互调失真，同时，还应该体积小并耐用，调谐比至少为3:1，整个电路的功耗应低于1mA。为了有效地改善性能，电路的插入损耗一定要小，因此品质因数(Q)至少应达到50。 新型数字可调电容器Peregrine半导体公司的设计人员已基于该公司的UltraCMOS工艺和HaRP创新设计开发出DuNE技术，并已申报专利。DuNE数字可调电容器(DTC)芯片是为满足天线调谐要求而设计的，它内含一些高Q值电容和一个串行接口，并具有偏置电压低和线性度高的优点。该器件采用倒装芯片封装，面向GSM/WCDMA手机的DuNE DTC的尺寸为1.36×0.81mm (见图5)。

图5：面向GSM/WCDMA应用的DuNE DTC器件倒装芯片外观图

实测性能由于使用了完全绝缘的蓝宝石基底，与笨重的CMOS和SOI技术相比，UltraCMOS场效应晶体管(FET)的一个主要优势是可以叠在一起来处理高强度的RF功率。因而，它有能力处理+40dBm以上的功率，而且在处理高强度RF功率的同时不降低Q值或调谐比。该技术有潜力开发出满足众多应用系统和工作条件要求的DuNE DTC。目前已设计出电容范围为0.5pF到10pF、调谐比为3:1到6:1、分辨率为5位(32级)的DTC(见图6)。这些DTC可在1到2GHz范围内把Q值设定为40到80 (见图7)。除了在50Ω可处理>+38dBm的功率和开关速度优于5秒之外(见图8)，这些新型DTC的功耗约为100μA(低于一些替代调谐技术的幅度)。

图6：实测结果表明，5位DuNE DTC器件具有良好的线性调谐特性，电容范围为1.15到3.4pF(调谐比为3:1)。

图7：DuNE DTC器件的品质因数实测结果，在900MHz时其Q值为60-70

图8： 当输入功率高达+40dBm时，三次谐波幅度低于-36dBm，满足GSM规范

基于成熟的设计模块和每周数百万出货量的工艺技术，DuNE技术可极大地扩展手机设计人员的选择空间。DTC的所有参数(电容值、调谐比、品质因数、功率处理能力)都可通过电路设计而不是材料工程来改变，从而大大加快了新型专用设计的开发进程。面向蜂窝电话和移动电视应用的DuNE DTC已经在试产阶段，计划在2009-2010年开始量产。这项先进的技术创新可以把完整的自适应天线调谐系统集成到单片中，进而极大地提高了新型手机设计的天线性能。

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