关于4G/5G 智能手机天线调谐的基本要素介绍

DIOADE

摘要：
天线效率在智能手机的整体 RF 性能中发挥着至关重要的作用。尤其是，当前的智能手机工业设计趋势和 RF 需求（尤其是即将过渡至 5G），意味着智能手机必须要将更多的天线安装到更小的空间内，并且/或者提高现有天线的带宽。鉴此，天线调谐比以往更加重要。在本文中将介绍 4G 和 5G 移动设备中天线调谐的四个基本要素。
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) z) I! X/ W8 O- \背景：为何需要天线调谐？我们以下三方面分析可见一斑：
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一是，由于手机运行所需的频段、功能和模式的数量不断增加，现代手机的 RF 前端 (RFFE) 设计也日益复杂。需要采用更多天线，使用载波聚合 (CA)、4x4 MIMO、Wi-Fi MIMO 和新的宽带 5G 频段来提供更高的数据速率；因此。智能手机中的天线数量从 4-6 个增加到 8 个或更多。与此同时，可用于移动系统天线的空间缩小，导致天线效率降低。
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' w8 h% O0 {* X' E( s6 u% N# K: P二是，通过天线调谐可以恢复一些损失性能。若不实施调谐，天线在有限的频率范围内可以实现出色性能，但是增加天线调谐则可以在更广泛的频率范围内实现更优化的性能。
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' s- S( a) `" ?& Z0 a4 M' e三是，天线调谐系统，例如阻抗调谐器和孔径调谐器，可以支持 LTE 智能手机要求的更高带宽和载波聚合。它们使天线在整个 LTE 和 5G 频段（从 600 Mhz 到 5 Ghz）范围内都能高效工作，同时还能节省电池电量，实现纤薄的手机设计。
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3 Q) l6 J) k6 k如何实现天线调谐？
# N3 p8 ^; t; e$ ]这就需要深入了解针对每个应用来运用该技术。为此，在4G 和 5G 移动设备中，本文提出了相应天线调谐的四个基本要素并进行了分析。
1 e7 d$ R: |4 A  C! K% O具体四个基本要素是：
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• 阻抗与孔径调谐
• 为您的调谐应用选择合适的组件
• 导通状态电阻 (RON)、断开状态电容 (COFF)，以及消除不必要的谐振
• 孔径调谐 和 CA
  

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• 阻抗或孔径调谐
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+ X! r( Z7 a8 S4 \8 k1 r. T应该看到，T天线的辐射模式和效率取决于天线的尺寸、形状、外壳、与金属的接触程度，以及接地层的形状和大小。而未调谐天线的效率低于经过调谐的天线；相比之下，调谐天线的效率越高，意味着它具有更高的辐射功率和更大的范围。
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6 q. d# @2 p  W, C( |也就是说，经过调谐的天线对智能手机的整体RF性能提高将起到至关重要的作用。智能手机可以使用两种方法进行天线调谐 - 阻抗调谐和孔径调谐- 如图1所示。
它们的作用和特点：

孔径调谐（Aperture Tuning）: 从天线终端的空闲空间中优化天线总效率，可以跨多个频段优化天线效率。孔径调谐对发射和接收通信应用的天线效率都会产生很大影响，根据不同的应用，总辐射功率 (TRP) 和总全向灵敏度 (TIS) 可提高 3 dB 甚至更多。
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阻抗调谐（Impedance Tuning）： 最大限度地提高射频前端与天线之间的功率传输，并通过最小化天线与天线前端之间的失配损耗来增加 TRP 和 TIS。阻抗调谐还有助于补偿环境影响，如一个人的手在智能手机上的位置。
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图1：孔径调谐和阻抗调谐的对比

3 v9 h, h& G) i; |$ {+ |1 U目前，在阻抗调谐和孔径调谐的两种方法应用中，为了克服因天线面积和效率降低所导致的问题，手机中主要采用孔径调谐法。中高档智能手机使用孔径和阻抗调谐组合方法，以支持不断扩大的频段范围，尤其是 5G 应用。

2．如何选择正确的调谐组件
在开关和辐射元件之间添加调谐组件（电容或电感），可进一步调节谐振频率，以支持 LTE 和 5G 频段。图2显示了开关断开、导通时以及在电路中添加电感或电容时天线的谐振频率。

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图2：孔径调谐添加电容或电感组件时天线的谐振频率

从图2可看出，在选择正确的调谐组件中，选择那些性能最佳的孔径调谐开关、电容和电感非常重要。
1 K( t0 e. N3 ^1 W, U2 P+ S' b% N* ^* C其中，一些准则包括：

调谐器开关：

使用具有低 RON 和 COFF 的开关来最小化系统损耗。
使用高线性调谐开关，避免对辐射杂散发射 (RSE) 和 TIS 产生影响。
8 W5 W  ]" k' T2 Y" e! V开关必须是多模式的，以调整 2G/3G/4G/5G 标准频率范围。
; ?4 _( Q! |' m, ?. B1 T/ s2 e8 U开关应该能够处理宽带天线应用的高射频电压。

调谐组件：
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使用电容值大于 0.5 pF 的电容，以避免使用高容差元件。
避免使用电感值大于 36 nH 的电感。
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3.导通状态电阻 (RON)、断开状态电容 (COFF )和消除不必要的谐振

  _3 n" S8 F: U8 h孔径调谐开关的两个关键特性，即导通状态电阻 (RON) 和断开状态电容 (COFF)将会显著影响天线的效率。其缘由在于，孔径开关在断开状态 (COFF) 下是容性开关，在导通状态 (RON) 下则为阻性开关。如果电感连接到 RF 端口进行调谐，那么 COFF 和电感的组合将会产生不必要的谐振。换句话说，当开关处于关断状态时，必然存在谐振机制。为了抑制这种谐振，调谐器开关配有一个内部开关，可以并联到地面。

如图3显示，在天线和调谐组件之间连接一个 SP4T 调谐器开关，以便将天线调谐到不同的频段。天线通过 RF3 端口连接至一个调谐电容，而其他三个端口为断开状态。用 RON 代替天线与 RF3 端口之间的 ON 状态电阻，用 COFF 仿真天线和 RF1、RF2 和 RF4 端口之间的 OFF 状态电容。这种接地路径功能有助于消除由关断开关端口产生的电容引起的谐振。其中，在图3中，右下角的黑色线表示存在谐振，橙色线表示不存在谐振。

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图3：使用并联地面“Off”端口消除谐振的连接示意及其特性图

* C: D0 _9 d! y; F  h1 W( o在消除不必要的谐振中，需注意的是：降低 RON 可使电感调谐和电容调谐的天线效率提高几个 dB，从而对手机的整体 RF 性能产生较大的影响。降低 COFF 也同样重要。但是，根据天线调谐器的位置和电压分布，RON 和 COFF 影响存在差异。如需了解有关 RON 和 COFF 的更多信息，请参考我们的免费‑指南如何实现孔径调谐：4G/5G 智能手机的最佳实践》。
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4. 孔径调谐和载波聚合(CA)
载波聚合（CA）是 将两个或多个 LTE 载波（通常在不同的频段中）组合起来，以增加带宽，实现更高数据速率。由于手机中的天线数量有限，这通常意味着单个天线必须在两个频段上同时通信。
为此，使用孔径调谐开关有助于满足智能手机对 CA 的要求，具体应用及其方法：
* L3 }/ D& J+ Y, x/ |: ]孔径调谐用于支持频段 39 和频段 41 的 CA 组合（通常用于中国）。
在每个频率的峰值电压点附近放置一个开关，可以对每个频段进行高效调谐，而且对另一个频段的影响最小。
- \: k' U1 X! f1 D) L将调谐开关放置在谐振频率的峰值电压点附近，对该频率的调谐效果最好。
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4 l: O, u& G/ Z. J' i. t, T本文介绍 了4G 和 5G 移动设备中天线调谐的四个基本要素。综上所述，简言之，不进行适当的天线调谐，就无法实现真正的 5G。

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