動態(tài)阻抗調(diào)諧技術(shù)--可提高手機(jī)天線性能

如今的移動電話不僅要支持蜂窩頻率，還要支持那些用于移動電視、藍(lán)牙、WLAN和定位服務(wù)的非蜂窩特性。由于每次手機(jī)換代都縮小了天線的可用空間，天線被包在相機(jī)和鍵盤電路周圍并重新安排路徑，導(dǎo)致天線效率降低。一部分性能損失可以通過天線調(diào)諧得到恢復(fù)，即使用動態(tài)阻抗調(diào)諧技術(shù)根據(jù)工作頻率和環(huán)境條件優(yōu)化天線的性能。然而，所面臨的挑戰(zhàn)是，任何成功的天線調(diào)諧方案均須滿足損耗低、線性度高、能夠處理很高強(qiáng)度的RF信號且耗能少的要求。

　　天線調(diào)諧架構(gòu)

　　當(dāng)無源天線不再滿足帶寬要求提高、手機(jī)設(shè)計(jì)更復(fù)雜、天線可用空間更小等性能要求時，通常使用開環(huán)天線調(diào)諧系統(tǒng)。在開環(huán)系統(tǒng)中，可調(diào)諧元件根據(jù)靜態(tài)信息 (如發(fā)射/接收頻率、調(diào)制方案或使用情況)在設(shè)定的頻段和工作模式下微調(diào)天線的性能(見圖1)。但由于開環(huán)系統(tǒng)不對天線的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時測量，因此無法具體考慮環(huán)境條件。

　　在移動設(shè)備中，環(huán)境條件非常重要，它們在用戶行走、開車或移動手指時發(fā)生變化。天線設(shè)計(jì)者可使用自適應(yīng)閉環(huán)天線調(diào)諧技術(shù)來應(yīng)對這些條件變化。在閉環(huán)調(diào)諧方案中，失配傳感器跟蹤天線的運(yùn)行狀況并提供反映實(shí)際情況的反饋信號。

　　失配傳感器把VSWR(反射回天線的功率幅度)與發(fā)射功率進(jìn)行比較并調(diào)節(jié)阻抗調(diào)諧電路。調(diào)諧算法使可調(diào)元件在各種使用情況下持續(xù)跟蹤環(huán)境條件，并把阻抗調(diào)到最優(yōu)值(見圖1)。

　　圖1：開環(huán)(左)和閉環(huán)(右)天線調(diào)諧方案

　　調(diào)諧挑戰(zhàn)

　　理論是有用的，但在蜂窩電話中實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)天線調(diào)諧的最大障礙是缺乏電氣參數(shù)可調(diào)、損耗低且調(diào)整比足夠?qū)挼母咝阅軣o功元件。在“高性能”方面，最具挑戰(zhàn)性的元件要求是功率處理能力和線性度。例如，GSM天線通常必須能夠處理最高+33dBm的發(fā)射功率，但在失配條件下，調(diào)諧元件實(shí)際上需要處理電壓高達(dá) 30Vpk或功率高達(dá)+40dBm的RF信號。

　　為尋找更好的調(diào)諧材料，人們在過去幾年里進(jìn)行了大量的研究。例如，為實(shí)現(xiàn)可調(diào)的天線和濾波器，一些研究者已經(jīng)使用了微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和鐵電材料技術(shù)(如鈦酸鍶鋇，BST)。這些技術(shù)盡管有發(fā)展前景，但目前仍面臨著巨大的技術(shù)和制造障礙。要充分滿足天線調(diào)諧的需要，設(shè)計(jì)人員需要能支持量產(chǎn)的技術(shù)，最好是成熟的技術(shù)。

　　天線復(fù)雜性

　　天線是復(fù)雜器件，嵌入在手機(jī)中的天線也不例外。由于手機(jī)的RF收發(fā)器是針對50Ω阻抗設(shè)計(jì)的，因此其天線最好也能在整個頻段呈50Ω阻抗。但事實(shí)上，這很少能做到，因?yàn)楦鶕?jù)電磁定律，手機(jī)天生具有天線帶寬窄、匹配不良和輻射效率低等特點(diǎn)。

　　因而，天線在整個波段通常是按非50Ω阻抗設(shè)計(jì)的，對多波段天線，VSWR的典型值為2:1或3:1。天線阻抗也受其它因素的影響，如手機(jī)握持方式(即“頭手效應(yīng)”)。使用者的身體也吸收功率，進(jìn)一步限制了天線的輻射效率。手機(jī)天線通常在VSWR優(yōu)于3:1的狀態(tài)下工作，但如果使用者把手指放在天線發(fā)射器上，VSWR 可能提高到9:1。如果在信號鏈中所有器件都是按照在VSWR為1:1設(shè)計(jì)的，那么可能會出問題。圖2顯示了“手效應(yīng)”的影響，所謂手效應(yīng)是指當(dāng)手放在天線發(fā)射器附近時天線產(chǎn)生諧振點(diǎn)偏移(detuning)。這個效應(yīng)改變了天線的諧振頻率，導(dǎo)致天線在預(yù)定工作頻率嚴(yán)重失配。

　　圖2：當(dāng)用戶把手放在天線發(fā)射器附近時，天線的諧振頻率發(fā)生改變，導(dǎo)致在預(yù)定工作頻率失配。