【无线射频芯片】-孔径调谐：5G智能手机中一项必不可少的技术

1/1孔径调谐：5G智能手机中一项必不可少的技术天线孔径调谐对于智能手机至关重要，可保证其在不断增加的RF频段范围内有效运行并支持向5G的过渡。智能手机需要更多天线来支持不断增长的RF需求，例如新的5G频段、MIMO，和载波聚合（CA）等。而由于智能手机工业设计潮流的不断变化，留给这些天线的空间越来越少；于是，天线也因此变得越来越小，潜在降低了其效率和带宽。孔径调谐手段允许天线在多个频带上有效地调谐，将Tx和Rx性能提高3dB以上，从而补偿这一问题。

孔径调谐通过与其它调谐组件组合的开关实现；具备低RON和低COFF的开关是效率最大化的关键。孔径调谐还允许天线同时在多个频段上通信以支持CA。实施孔径调谐需要深化了解如何将该技术用于各种应用。

简介

天线效率在智能手机的整体RF性能中起着至关重要的作用。但是，当前的RF需求（尤其是即将向5G的过渡）和智能手机工业设计的广泛趋势，意味着其必需在更少的空间中安装更多的天线。因此，天线尺寸不断缩小，导致了其效率的降低。如不针对此问题进行补偿，效率的降低可能会影响Tx和Rx性能，从而导致电池寿命缩短、数据速率降低以及连接性问题。

对5G的支持致使简单性不断攀升，再加上工业设计方面的约束，会对天线性能产生负面影响，导致数据速率和电池寿命降低'。

5G手机需要更多天线以供应更快的数据速率

向5G的过渡意味着对更高数据速率的不断追求，并将显著增加每部手机中的典型天线数量。

供应较高数据速率的两种主要技术是CA（载波聚合）和多路输入/多路输出（MIMO），二者都需要同时工作的多个天线。5G将进一步推动这一趋势，由于其要求在大多数频段上支持四个独立的下行链路信道，需要手机至少包含四个用于无线通信的天线。

同时，很大程度上由于新5G频段的引入，手机天线需要涵盖更广泛的频段。5G手机可能需要支持从较低的600MHz到高达6GHz的频率。

为满意这些要求并支持Wi-Fi、GPS和蓝牙技术，天线数量将从当前典型LTE手机中的4到6根，增加至5G智能手机中的6到10根。在有限的可用空间内安装全部这些天线变得越来越困难。

图1.随着向5G的过渡，天线的数量不断增加，以支持新的频段，以及MIMO和CA的要求

更小的天线面积

随着制造商在工业设计上的持续革新和新功能的不断添加，可容纳天线的空间正在缩小，由此加剧了问题的严峻性。一个关键的趋势是向全屏手机的转变；在全屏手机中，显示屏几乎占据了手机的整个表面，造成屏幕外用于无线通信天线的可用空间越来越少。而制造商仍不断增加摄像头，又进一步挤占了手机内部空间。

需要在更少的空间中安装更多天线意味着天线变得越来越小，天线尺寸的减小则导致天线效率降低。图2显示了在全屏设计中，天线效率如何随着电话顶部的辐射元件与接地部分（位于屏幕边缘）之间空间的缩小而降低。

图2.全屏智能手机设计缩小了可用天线面积，从而降低天线效率。

天线数量增多，尺寸减小，这也意味着手机对因环境变化（例如手持手机的动作）而引起的瞬态效应更加敏感。这些瞬态效应可能包括效率降低和频率响应变化。

天线性能的"三角'折衷关系

图3所示的天线"折衷三角'显示了天线尺寸减小对效率和带宽的影响。假如天线尺寸保持恒定，效率可以用来换取更大的带宽。在具有较大天线的老一代手机中，此种折衷是可以接受的，由于天线在支持更大范围频带的同时仍可满意性能要求。但随着天线尺寸的减小，这种折衷已不再可行。采纳新的全屏设计，天线只能在狭窄的频率范围内达到所需的效率水平。因此，为了支持当前手机设计所涵盖的广泛频率范围，必需调谐天线以在每个频率上有效地工作。

图3.天线性能的"三角'折衷关系。

孔径调谐：通过开关进行调谐

目前，孔径调谐是解决手机因天线面积减小和效率降低所引发问题的主要方法。使智能手机能够支持不断扩大的频段范围至关重要，特殊是在向5G过渡的状况下。

孔径调谐会对进行放射和接收通信的天线效率产生重大影响。依据不同的应用，总辐射功率（TRP）和总全向灵敏度（TIS）可提升达3dB甚至更多。

天线调谐技术的概念如图4所示。一个开关连接在天线和接地之间用于调成天线的谐振频率，以匹配电话当前用于通信的频率。

在开关和辐射元件之间添加不同的调谐组件（电容或电感）可用于进一步调整谐振频率，以支持不同的频段。图4显示了当开关断开、导通，以及在电路中添加电感或电容时天线的谐振频率。

在图4中，每个组件都连接到一个简洁的开关，以阐述孔径调谐的概念。然而，在主无线通信天线和其它一些应用中，更简单的多掷开关可用于连接多个调谐组件并支持更广泛的频带范围。

图4.孔径调谐

多个频率范围的天线调谐

天线具有多个固有谐振频率，且谐波相关：例如，天线的谐振频率可以是900MHz、1800MHz（二阶谐波）、2700MHz（三阶谐波）等等。通过孔径调谐开关来调谐每个谐振频率，可使单个天线支持分布在特别宽的频谱范围内的多个频段。

图5显示了这是如何工作的。每个谐振频率在天线上具有不同的电压分布。电压模式因天线类型而异；图5显示了一个示例。

图5.天线不同谐振频率的电压分布

通过将孔径调谐开关置于其影响最大的电压点上，可以独立地调谐每个谐振频率，该开关通常接近此频率的电压分布的顶点。

通过在天线的不同位置放置多个开关，并对每个开关使用多个调谐组件，单个无线通信天线便可支持特别广泛的低频、中频和高频频段（图6）。

图6.通过将调谐开关放置在多个位置，单个天线可以支持各种低、中和高频频段。

RON和COFF的重要性

孔径调谐开关的两个关键特性会显著影响天线效率：导通状态电阻（RON）和断开状态电容（COFF）。降低RON可使电感调谐和电容调谐的天线效率提高数个dB（图7），从而对手机的整体RF性能产生较大影响；降低COFF也同样重要。

图7.降低RON对电感调谐和电容调谐效率的影响。

但是，RON和COFF沿天线长度不同位置的影响会有所不同，详细取决于电压分布。在电压较低的状况下，低RON的影响最大；电压较高时，COFF的影响最大。策略性地放置具有较低RON或COFF的开关，可用于优化针对不同频率的调谐。

CA的孔径调谐

全球LTE运营商都在利用CA供应更高的数据速率。CA组合了两个或多个LTE载波（通常在不同频段中）以增加带宽。由于手机中天线的总数有限，这通常意味着单个天线必需在两个频段上同时通信。

细心放置的孔径调谐开关可以满意这一要求。如前所述，将调谐开关置于谐振频率的峰值电压四周对该频率具有最大的调谐效果。相反，将调谐器置于谐振频率的零电压处则几乎没有调谐效果。在靠近第一个谐振频率的峰值电压处放置一个开关使其同时位于其次个谐振频率零电压点，便可在不影响其次个频率的状况下调谐第一个频率。

图8显示了用于支持中国常用的频段39和频段41组合的孔径调谐技术。在每个频段的峰值电压四周放置一个开关，可以在对另一个频段影响最小的状况下对每个频段实现高效调谐。

图8.针对CA的孔径调谐；在每个谐振频率的电压峰值四周放置一个开关，允许在对另一个频段影响最小的状况下对每个频段进行高效调谐。

结论

孔径调谐是助力当今智能手机支持不断增长的频段范围的关键。它显著提高了Tx和Rx性能，克服了手机工业设计演进带来的挑战，使其能够满意日益简单的RF需求。有效实施孔径调谐需要大量相关专业学问，用以优化各种应用。天线数量的增加也意味着孔径调谐解决方案必需很小才能适应不断缩小的可用空间。

Qorvo是孔径调谐领域公认的市场领导者，在关心领先厂商采纳孔径调谐技术实现其目标方面拥有丰富阅历。Qorvo广泛的高度紧凑型解决方案产品组合供应了超低COFF和低RON的组合，以打造最佳性能。

关于

AbhinayKuchikulla担当Qorvo高级营销经理，负责天线调谐器的产品策略与方向；深厚的技术背景使他能够为Qorv