【導(dǎo)讀】移動(dòng)手機(jī)天線(xiàn)設(shè)計(jì)人員面臨著許多挑戰(zhàn)：不斷增加頻段覆蓋范圍的要求，極具挑戰(zhàn)的行業(yè)設(shè)計(jì)限制以及不斷縮小的天線(xiàn)安裝空間。設(shè)計(jì)人員通過(guò)使用孔徑和阻抗調(diào)諧器可以解決這些問(wèn)題。然而，并不是任何孔徑或阻抗調(diào)諧器都可以使用。當(dāng)今的許多應(yīng)用都需要使用更穩(wěn)定、可靠的調(diào)諧產(chǎn)品，才能完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。
阻抗匹配與 RF 電壓
設(shè)計(jì)人員經(jīng)常要克服的一個(gè)挑戰(zhàn)就是天線(xiàn)上的射頻能源。例如，與天線(xiàn)匹配的阻抗可能會(huì)在匹配網(wǎng)絡(luò)中生成較高的射頻電壓。當(dāng)匹配電容或電感較高的阻抗時(shí)，匹配網(wǎng)絡(luò)與天線(xiàn)之間可能會(huì)出現(xiàn)較大的差分電壓。當(dāng)使用額定電壓更低的器件時(shí)，可能會(huì)降低系統(tǒng)性能。為消除這種性能下降問(wèn)題，需要使用額定電壓較高的阻抗匹配器件。為承受更高的射頻電壓，必須使用這些類(lèi)型的阻抗匹配器件。圖 1 展示了在較高 (GSM850/900) 功率水平下發(fā)射信號(hào)時(shí)，射頻電壓有多高。
Figure 1.
天線(xiàn)阻抗詳述
應(yīng)用和天線(xiàn)設(shè)計(jì)等多方面因素都會(huì)影響天線(xiàn)的電壓電平。其中包括以下三個(gè)因素：
1. 匹配器件的天線(xiàn)阻抗可能會(huì)導(dǎo)致較高的電壓
2. 應(yīng)用中的輸入功率水平（即 2 級(jí)功率 (PC2) 或 GSM）
3. 實(shí)際匹配器件的阻抗
我們考慮這三個(gè)因素，仔細(xì)了解一下如何利用天線(xiàn)方向圖和天線(xiàn)調(diào)諧器來(lái)優(yōu)化天線(xiàn)設(shè)計(jì)。
深入了解阻抗匹配
阻抗匹配器件會(huì)影響功率水平，并且需要使用額定電壓水平更高的器件來(lái)優(yōu)化天線(xiàn)效率。
圖 2 為兩種天線(xiàn)設(shè)計(jì)，即模式 A 和 B。接下來(lái)，我們將闡述這些設(shè)計(jì)模式與不同額定電壓的阻抗匹配組件會(huì)如何相互影響。我們還將介紹如何利用額定電壓更高的器件來(lái)最大程度地提高總輻射效率。
Figure 2.
首先，在圖 3 中我們可以看到，天線(xiàn)模式“A”和“B”在史密斯圓圖上如何通過(guò)低頻段 GSM 頻率進(jìn)行測(cè)量。如圖所示，天線(xiàn)阻抗位于史密斯圓圖的電感區(qū)域，因此串聯(lián)電容成為最優(yōu)匹配解決方案。因此，我們的天線(xiàn)匹配解決方案將使用電容。
Figure 3.
在我們的示例中，我們將圖 4 左側(cè)所示的兩個(gè)類(lèi)似器件作為天線(xiàn)阻抗匹配組件進(jìn)行了測(cè)量和比較。一個(gè)是 55VRF (DEVICE55)，另一個(gè)是 65VRF (DEVICE65)。每個(gè)器件都由具有 32 種不同電容狀態(tài)的可編程電容和獨(dú)立的可切換開(kāi)關(guān)組成。
Figure 4.
通過(guò)選擇每個(gè)器件的狀態(tài)，使天線(xiàn)模式 A 在低頻段頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大輻射效率。此外，所選的器件狀態(tài)還應(yīng)符合每個(gè)器件的額定射頻電壓要求：DEVICE55 為 55VRF，DEVICE65 為 65VRF，如下圖所示。器件在 GSM850/900 和 LTE B12（頻段 12）下進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)量圖（下圖 5）為連接這兩個(gè)器件的天線(xiàn)效率與頻率圖。
Figure 5.
上述輸出測(cè)量采用了 DEVICE 55 和 DEVICE 65 的天線(xiàn)模式“A”。如圖所示，如果使用電壓較低的 55 V 器件，在 GSM850 和 GSM900 Tx 頻率下，效率會(huì)受到明顯影響。為了在 GSM850、GSM900 以及 B12 下實(shí)現(xiàn)更高的效率，同時(shí)保持電壓電平，應(yīng)選擇 DEVICE65 的電壓，因?yàn)槠湫蕰?huì)超過(guò) DEVICE55。
為提高 DEVICE55 響應(yīng)性能，我們嘗試使用模式“B”天線(xiàn)設(shè)計(jì)。下述輸出測(cè)量圖顯示了使用 DEVICE65 的模式“A”。對(duì)于 DEVICE55，我們使用了模式“B”。盡管在 GSM 頻率下使用模式“B”天線(xiàn)設(shè)計(jì)可以改進(jìn) DEVICE55 方案的效果，但仍不足以達(dá)到 DEVICE65 組件的要求。如圖 6 中所示，DEVICE65 的效率再一次超過(guò)了 DEVICE55。因?yàn)?DEVICE65 能夠滿(mǎn)足較高的射頻電壓輸入阻抗要求。
Figure 6.
此外，使用模式“B”和 DEVICE55 所實(shí)現(xiàn)的效率沒(méi)有使用模式“A”和 DEVICE65 的那么高，頻段也沒(méi)有那么寬，尤其是在 B12 頻率范圍內(nèi)。盡管使用模式“B”時(shí)，DEVICE55 會(huì)有所改進(jìn)，但效率沒(méi)有使用模式“A”和 DEVICE65 那么高。
總之，天線(xiàn)上的高電壓的確會(huì)對(duì)效率和性能產(chǎn)生影響。我們的測(cè)量結(jié)果證實(shí)，在高射頻電壓的阻抗匹配應(yīng)用中，額定電壓更高的器件可實(shí)現(xiàn)更高的性能。在我們的示例中，我們采用 Qorvo 的兩款可配置調(diào)諧器，每款調(diào)諧器都包含一個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)可編程電容陣列 (PAC) ，一個(gè)器件的額定電壓為 55V，另一個(gè)為 65V。額定電壓更高的組件可為天線(xiàn)設(shè)計(jì)人員提供更多的裕量。從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠在不修改設(shè)計(jì)布局結(jié)構(gòu)的情況下，更有效地將電路與多個(gè)天線(xiàn)模式和射頻電壓情境進(jìn)行匹配。
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