利用新型調諧技術提高手機天線性能

　　天線調諧架構

　　當無源天線不再滿足帶寬要求提高、手機設計更復雜、天線可用空間更小等性能要求時，通常使用開環(huán)天線調諧系統(tǒng)。在開環(huán)系統(tǒng)中，可調諧元件根據(jù)靜態(tài)信息(如發(fā)射/接收頻率、調制方案或使用情況)在設定的頻段和工作模式下微調天線的性能(見圖1)。但由于開環(huán)系統(tǒng)不對天線的運行狀況進行實時測量，因此無法具體考慮環(huán)境條件。

　　在移動設備中，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。天線設計者可使用自適應閉環(huán)天線調諧技術來應對這些條件變化。在閉環(huán)調諧方案中，失配傳感器跟蹤天線的運行狀況并提供反映實際情況的反饋信號。

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

圖1：開環(huán)(左)和閉環(huán)(右)天線調諧方案

　　調諧挑戰(zhàn)

　　理論是有用的，但在蜂窩電話中實現(xiàn)自適應天線調諧的最大障礙是缺乏電氣參數(shù)可調、損耗低且調整比足夠寬的高性能無功元件。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，調諧元件實際上需要處理電壓高達30Vpk或功率高達+40dBm的RF信號。

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

　　天線復雜性

　　天線是復雜器件，嵌入在手機中的天線也不例外。由于手機的RF收發(fā)器是針對50Ω阻抗設計的，因此其天線最好也能在整個頻段呈50Ω阻抗。但事實上，這很少能做到，因為根據(jù)電磁定律，手機天生具有天線帶寬窄、匹配不良和輻射效率低等特點。

　　因而，天線在整個波段通常是按非50Ω阻抗設計的，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，如手機握持方式(即“頭手效應”)。使用者的身體也吸收功率，進一步限制了天線的輻射效率。手機天線通常在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設計的，那么可能會出問題。圖2顯示了“手效應”的影響，所謂手效應是指當手放在天線發(fā)射器附近時天線產(chǎn)生諧振點偏移(detuning)。這個效應改變了天線的諧振頻率，導致天線在預定工作頻率嚴重失配。

圖2：當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，導致在預定工作頻率失配。

　　當天線端口處在失配狀態(tài)時，RF性能迅速下降。特別需要指出的是，如果天線處在VSWR=3:1(多波段天線的常用設計指標)的狀態(tài)，大約1.25dB的功率由于反射而立即損失；如果VSWR達到5:1，失配損耗將提高到2.55dB。這樣的失配也將使功率放大器(PA)輸出功率下降，進一步減少了輻射功率。如果手機的窄帶雙工或接收濾波器沒有端接到其特征阻抗，在其通帶中還會出現(xiàn)紋波，并額外帶來高達2dB的損失。在圖3中，綠線代表典型的WCDMA雙工發(fā)射濾波器在阻抗為50Ω時的性能。紅線是標準指標，藍線顯示當天線在所有相位VSWR均為5：1時的濾波器響應；注意在最壞情況下插入損耗達5dB。

圖3：當手機的窄帶雙工或接收濾波器沒有端接到其特征阻抗時，在通帶中也會出現(xiàn)紋波。本例中，VSWR為5:1的阻抗失配使插入損耗大幅度增加。

　　頭和手的影響、天線中的失配損耗、RF濾波器通帶中的紋波，以及PA輸出功率下降共同對手機天線發(fā)射出去的功率量造成嚴重影響。諧振點偏移的后果是電池壽命縮短、鏈接范圍縮小和呼叫質量降低，并導致掉線數(shù)量增多。為解決這個問題，許多服務提供商都已建立了TRP(總輻射功率)和TIS(全向靈敏度)規(guī)范。要滿足這些規(guī)范，在測試手機時須模擬實際使用情況(針對頭和手)，而不是簡單地在50Ω環(huán)境下完成傳導性測量或在自由空間中對電話進行測試。

　　自適應天線調諧有望成為滿足這些新型TRP和TIS規(guī)范的好方法，天線調諧器可以不受環(huán)境的影響而使天線呈50Ω特性，并使系統(tǒng)的其它部分在最優(yōu)條件下工作。盡管天線調諧器帶來一些額外的插入損耗，但同未加入天線調諧器的情況相比，自適應天線調諧將極大地降低從調諧器輸入端到天線輸入端的總插入損耗(見圖4)，進而改善性能。

圖4：對自適應閉環(huán)系統(tǒng)的仿真顯示，與未使用天線調諧器的系統(tǒng)(紅線)相比，加入天線調諧器(藍線)可降低插入損耗。

　　多波段收發(fā)系統(tǒng)的天線要求自適應天線調諧電路能夠在一直到波段邊沿的整個波段內保證性能，能主動跟蹤諧振點偏移并迅速把天線的諧振點調回來。這個調諧電路必須具有極高的線性度以避免產(chǎn)生諧波或互調失真，同時，還應該體積小并耐用，調諧比至少為3:1，整個電路的功耗應低于1mA。為了有效地改善性能，電路的插入損耗一定要小，因此品質因數(shù)(Q)至少應達到50。

　　新型數(shù)字可調電容器

　　Peregrine半導體公司的設計人員已基于該公司的UltraCMOS工藝和HaRP創(chuàng)新設計開發(fā)出DuNE技術，并已申報專利。DuNE數(shù)字可調電容器(DTC)芯片是為滿足天線調諧要求而設計的，它內含一些高Q值電容和一個串行接口，并具有偏置電壓低和線性度高的優(yōu)點。該器件采用倒裝芯片封裝，面向GSM/WCDMA手機的DuNE DTC的尺寸為1.36×0.81mm (見圖5)。

圖5：面向GSM/WCDMA應用的DuNE DTC器件倒裝芯片外觀圖。

　　實測性能

　　由于使用了完全絕緣的藍寶石基底，與笨重的CMOS和SOI技術相比，UltraCMOS場效應晶體管(FET)的一個主要優(yōu)勢是可以疊在一起來處理高強度的RF功率。因而，它有能力處理+40dBm以上的功率，而且在處理高強度RF功率的同時不降低Q值或調諧比。

　　該技術有潛力開發(fā)出滿足眾多應用系統(tǒng)和工作條件要求的DuNE DTC。目前已設計出電容范圍為0.5pF到10pF、調諧比為3:1到6:1、分辨率為5位(32級)的DTC(見圖6)。這些DTC可在1到2GHz 范圍內把Q值設定為40到80 (見圖7)。除了在50Ω可處理>+38dBm的功率和開關速度優(yōu)于5秒之外(見圖8)，這些新型DTC的功耗約為100μA(低于一些替代調諧技術的幅度)。

圖6：實測結果表明，5位DuNE DTC器件具有良好的線性調諧特性，電容范圍為1.15到3.4pF(調諧比為3:1)。

圖7：DuNE DTC器件的品質因數(shù)實測結果，在900MHz時其Q值為60-70。

圖8： 當輸入功率高達+40dBm時，三次諧波幅度低于-36dBm，滿足GSM規(guī)范。

　　基于成熟的設計模塊和每周數(shù)百萬出貨量的工藝技術，DuNE技術可極大地擴展手機設計人員的選擇空間。DTC的所有參數(shù)(電容值、調諧比、品質因數(shù)、功率處理能力)都可通過電路設計而不是材料工程來改變，從而大大加快了新型專用設計的開發(fā)進程。面向蜂窩電話和移動電視應用的DuNE DTC已經(jīng)在試產(chǎn)階段，計劃在2009-2010年開始量產(chǎn)。這項先進的技術創(chuàng)新可以把完整的自適應天線調諧系統(tǒng)集成到單片中，進而極大地提高了新型手機設計的天線性能。