優(yōu)化移動天線調(diào)諧的簡易方法

創(chuàng)建具有多部天線的移動設(shè)備涉及到一個極具挑戰(zhàn)性的平衡過程。如果考慮到移動設(shè)備設(shè)計人員面對的所有因素，那么所需要考量的層面則過于繁雜。首先，移動設(shè)備帶有分別用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)（低、中、高頻段）、Wi-Fi、藍(lán)牙?、超寬帶等多個頻段的天線；除 RF 的單一范圍外，他們還必須應(yīng)對更豐富功能和更小、更時尚設(shè)計間的權(quán)衡。

創(chuàng)建具有多部天線的移動設(shè)備涉及到一個極具挑戰(zhàn)性的平衡過程。如果考慮到移動設(shè)備設(shè)計人員面對的所有因素，那么所需要考量的層面則過于繁雜。首先，移動設(shè)備帶有分別用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)（低、中、高頻段）、Wi-Fi、藍(lán)牙?、超寬帶等多個頻段的天線；除 RF 的單一范圍外，他們還必須應(yīng)對更豐富功能和更小、更時尚設(shè)計間的權(quán)衡。

圖 1：中、高 Wi-Fi 頻段 Qorvo 天線調(diào)諧器

使用 Qorvo 天線調(diào)諧器有助于優(yōu)化這些頻段中每個頻段的天線性能；然而，增加調(diào)諧器確實(shí)要以犧牲天線效率為代價。因此，在設(shè)計中必須注意保證足夠的天線效率及性能；這樣做需要優(yōu)化 PC 板的布局。Qorvo 提供了豐富的天線調(diào)諧組件選擇，為廣泛的應(yīng)用帶來最佳性能。策略性地安排 Qorvo 天線調(diào)諧器的位置，是為了充分利用其出色的 RF 性能特性來調(diào)諧中高頻段頻譜，并獲得高效率。

如圖 2 所示，兩塊帶有天線和天線調(diào)諧元件的 PC 板總共占用 195mm2 的面積。我們的目標(biāo)是將該面積減少 35%，同時滿足峰值 RF 性能。下面，我們將解讀如何利用效率與性能間的權(quán)衡來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

圖 2：基線中高頻段與 Wi-Fi 天線 vs 占板面積縮減目標(biāo)

中高頻段（MHB）天線本身便是一項(xiàng)艱巨的設(shè)計挑戰(zhàn)，而添加 Wi-Fi 2.4GHz 和 5GHz 天線使設(shè)計變得更加困難，此外還縮減了外形尺寸。因此，其歸根結(jié)底是要采用最佳的元件才能優(yōu)化天線的 PC 板占板面積。

在圖 3 中，我們可以看到 MHB 和 Wi-Fi 天線的 PC 板布局設(shè)計。這一經(jīng)優(yōu)化的布局設(shè)計讓尺寸減少 35%，并實(shí)現(xiàn)同類最佳的 RF 信號范圍。下面，讓我們來分析一下移動設(shè)備設(shè)計師將如何同時獲得 35% 的尺寸縮減和卓越的智能手機(jī) RF 范圍。

圖 3：中高頻段和 Wi-Fi 移動天線解決方案

如表 1 所示，每個調(diào)諧狀態(tài)覆蓋四個不同的蜂窩頻段。我們設(shè)計的天線具備 3 個 RF 分支；其針對每個調(diào)諧狀態(tài)覆蓋四個蜂窩頻段（MHB），以及 2.4GHz 和 5GHz 的 Wi-Fi 頻段。

需要注意的是，圖 3 所示的設(shè)計同時考慮了 MHB 和 Wi-Fi 頻段。其中 1、3、40 和 7 頻段以及 Wi-Fi 頻段均同時工作；各部天線在每個蜂窩和 Wi-Fi 切換狀態(tài)下也均能達(dá)到峰值性能，如下表所示。

表 1：MH 頻段和 Wi-Fi 經(jīng)調(diào)諧后同時運(yùn)行

下面讓我們仔細(xì)看下 MHB 和 2.4GHz 部分。如圖 4 所示，Qorvo 天線調(diào)諧器用于 MH 和 2.4GHz Wi-Fi 調(diào)諧。調(diào)諧器與電路板的組合布局優(yōu)化了蜂窩及 Wi-Fi 2.4GHz 頻段。

圖 4：MHB 和 2.4GHz 天線調(diào)諧器及設(shè)計

U1 連接至這一區(qū)域，以補(bǔ)償由 U2 調(diào)諧器引起的任何變化，從而保持 Wi-Fi 2.4GHz 頻段的諧振。事實(shí)上，天線的這兩個部分相互依存，二者共同工作以產(chǎn)生一個可調(diào)諧的諧振和兩個恒定諧振，同時保持兩個頻段的效率處于峰值狀態(tài)。

該天線結(jié)構(gòu)的第三部分通過金屬導(dǎo)線連接操作——如圖中藍(lán)色虛線框所示。這是一個覆蓋 Wi-Fi 5GHz 頻段的單極天線（圖 5）。此 PC 板布局覆蓋了 Wi-Fi 5GHz 頻段的大帶寬（5150 至 5850MHz）。

圖 5：5GHz Wi-Fi 單極天線結(jié)構(gòu)

為減少智能手機(jī)中天線區(qū)域的面積，我們使用了 Qorvo 天線復(fù)用器芯片組，以縮減成本及尺寸；見圖 6。天線復(fù)用器結(jié)合了每個天線饋送源的三個不同 RF 信號。這種方法還減少了智能手機(jī)的 RF 輻射面積，從而減輕了干擾；此外，它還將三個獨(dú)立的輻射器整合至一片很小的 PC 板區(qū)域。

圖 6：帶天線復(fù)用器的 MH、Wi-Fi 2.4GHz 和 5GHz 天線

使用天線復(fù)用器的主要優(yōu)勢包括：

• 減少 PCB 尺寸

• 在所有所需頻段均實(shí)現(xiàn)很高的輻射效率

那么，尺寸的減少和性能的增強(qiáng)是否會提高峰值性能？答案是肯定的；請參見圖 7 —— Qorvo 天線調(diào)諧器和天線復(fù)用器帶來的尺寸縮減使效率得以提升。

圖 7：MHB 和 Wi-Fi 的效率測量結(jié)果

對擁有更多功能且更小、更時尚產(chǎn)品的需求，使得智能手機(jī)及其它移動設(shè)備的設(shè)計變得日趨復(fù)雜。工程師們時常糾結(jié)于如何在優(yōu)化性能的同時達(dá)成這些指標(biāo)；此外，他們還需要加速推進(jìn)設(shè)計進(jìn)程以滿足公司的上市時間要求。對此，Qorvo 將助您一臂之力。我們提供技術(shù)支持，以及全新或改進(jìn)的下一代產(chǎn)品。借助天線調(diào)諧器和天線復(fù)用器，加上我們的 PC 板設(shè)計指導(dǎo)，Qorvo 可以幫助您構(gòu)建滿足客戶需求的設(shè)計。

關(guān)于作者：Mojtaba Zamanifekri，高級天線設(shè)計工程師

Mojtaba 是移動通信系統(tǒng)的天線解決方案及 RF 系統(tǒng)的設(shè)計與建模專家。憑借在電磁學(xué)和 RF 系統(tǒng)領(lǐng)域的綜合知識，他幫助 Qorvo 應(yīng)用團(tuán)隊創(chuàng)建最先進(jìn)的天線解決方案，以滿足旗艦智能手機(jī)當(dāng)前和未來的需求。

（來源： Qorvo半導(dǎo)體微信公眾號，作者：Mojtaba Zamanifekri，高級天線設(shè)計工程師）