蜂窩電話功率放大器的天線接口的自適應調諧技術

　引言

　　目前無線產品的設計原理涉及將功率放大器(PA) 和低噪聲放大器(LNA)設計為具有獨立于天線的50Ω阻抗，而天線也被盡可能設計為在所需的頻帶上具有50Ω阻抗。集中多個無線應用在單個設備中需要天線在較多頻帶上操作，會影響性能。在將電話用作調制解調器時，無線數(shù)據(jù)應用將其他導體和電介質引入到天線環(huán)境，諸如木質和金屬桌面。這些天線環(huán)境因素通過吸收和反射兩種途徑影響其性能。

　　兩種常見的解決反射效應的方法是使用負載不敏感PA或連續(xù)可調諧天線。但其缺點是：盡管負載不敏感PA能將性能提高到4:1電壓駐波比(VSWR)失配，可是用于收發(fā)信機的接收機部分的噪聲源不敏感LNA不是標準供貨產品;連續(xù)可調諧天線在實驗室環(huán)境中提供了信道帶寬上的理想調諧，但這是以物料成本增加和電路板面積變大為代價的。

　　折衷的解決方案

　　本文提出了一種折衷的解決方案，該方案在實現(xiàn)完整解決方案的最大利益，即為幾乎所有阻抗提供匹配的同時，僅需較少的電路和較少的電路板面積。目前已經(jīng)開發(fā)出了將PA和前端模塊RF電子裝置并入天線內部的蜂窩無線電天線模塊。針對天線負載條件使天線和RF電路之間實現(xiàn)最佳匹配。對于處理天線經(jīng)歷不同負載條件的可調諧匹配電路，這是一種低成本的方法。該方法可使這些阻抗匹配達到20dB的良好的回波損耗，但不具備理想的50Ω阻抗。同時，該方法不能使所有的可能阻抗匹配達到良好的回波損耗，但可使天線在上述多種嚴酷環(huán)境條件下經(jīng)歷的阻抗匹配。這將實現(xiàn)理想的50Ω阻抗可調諧電路的大部分性能的提高，同時可顯著減少成本，即電路板面積、軟件開發(fā)成本和BOM。

　　已開發(fā)的可調諧匹配電路可使最嚴酷應用條件下天線的阻抗匹配達到良好的回波損耗。如圖1所示，針對該電路進行仿真以觀察能夠達到的不同阻抗匹配等級，即20dB和理想50Ω的阻抗范圍。

　　圖1 簡單的單調諧元件匹配電路的范圍

　　圖2 具有附加的天線阻抗的調諧電路范圍

　　這6個條件均得到該可調諧匹配電路的良好處理。然而，不同于使用較復雜和昂貴的可調諧匹配電路，在另外兩個條件下放棄了20dB的匹配標準。在高頻帶和低頻帶上對超過20個不同的條件進行了測試。
可調諧匹配電路的帶寬容量

　　其中所關注的第一個指標是可調諧匹配電路的帶寬容量。出于兩個原因可確認該指標是重要的。第一個原因在于蜂窩接收機。盡管自適應調諧是針對移動設備的發(fā)射機工作的，但其不能降低接收機的性能。接收機工作于全球移動通信系統(tǒng)(GSM)應用中的不同頻帶。第二個考慮是W-CDMA、WiMAX或WLAN等的寬帶調制應用。

　　如圖3所示，簡單的低成本單調諧元件匹配電路具有大的帶寬容量，該電路在理論上能同時覆蓋DCS 1800和PCS 1900頻帶，如圖3左上角的曲線所示。然而，實際上如圖3下面的兩個曲線所示，利用該單調諧元件匹配電路可以使完整的DCS或PCS頻帶上的回波損耗提高10dB。

　　圖3 GSM高頻帶下的調諧電路回波損耗性能的改善

　　這產生兩個主要結果。第一個結果上面已經(jīng)提到。該電路呈現(xiàn)出可處理寬帶寬信號的能力，即1.75GHz或1.88GHz處的100MHz信號。第二結果涉及方案實現(xiàn)?？珙l譜所需的調諧區(qū)別不大。這意味著在切換或其他頻率變化過程中不需要手機對調諧電壓進行大的調整，因此可顯著減少對控制環(huán)路動態(tài)響應的考慮。不需要考慮控制環(huán)路在進行調整時會在部分突發(fā)過程中偏轉到較差的調諧電壓。

　　圖4所示為GSM低頻帶的情況，盡管沒有必要，但在理論上可同時覆蓋完整的800MHz和900MHz頻帶。

　　圖4 GSM低頻帶下的調諧電路回波損耗性能的提高

　　雖然該低頻帶的性能提高低于高頻帶的性能提高，但仍然是有利的。然而，利用簡單的單調諧元件匹配電路可使完整的800MHz GSM或900MHz GSM頻帶的回波損耗性能提高超過5dB。而且，圖4中示出的金屬元件不是天線。在該情況中天線位于電話/塑料機殼內部。該金屬元件是平衡-非平衡 (BALUN)器件。BALUN可消除導線效應或自導線輻射的電流。

　　將天線置于面對遠離頭部方向的手機頂部且將手放在手機上面時，呈現(xiàn)出PA的所有可能阻抗。這些阻抗是在調諧過程中由施加到調諧元件的調諧電壓生成的所有可能阻抗。當環(huán)路檢測到好的匹配條件時，該環(huán)路將停止工作，因此該環(huán)路并未調諧到每個上述調諧電壓。此外，在切換時可能發(fā)生的跳頻過程中，相同條件下該環(huán)路將不會過度調節(jié)電壓。然而，在該條件下呈現(xiàn)給PA的最差情況是3dB的回波損耗。由于匹配電路在任何調諧電壓下均不會超過該值，因此該控制環(huán)路將不再呈現(xiàn)該最差阻抗。這不會影響商用功率放大器在所有相位角下能承受10:1 VSWR。此外，該控制環(huán)路可被設計為具有兩個環(huán)路動態(tài)響應，可首先使用快速環(huán)路尋找好的回波損耗，隨后該環(huán)路可以切換到較慢的響應。
RF性能

　　盡管實現(xiàn)了回波損耗的改善，但設計者最關心的是整體RF的性能。調諧電路必須提高天線和功率放大器系統(tǒng)的整體效率，同時保持或改善線性性能。通過在調諧元件上設定相同的電壓并且使用導線連接功率放大器和可調諧匹配電路，測量調諧電路后面的天線阻抗。測試結果表示，在所有功率電平下，回波損耗和整體效率都有明顯改善，且具有相同或更好的線性。相同的技術可用于如3G數(shù)據(jù)蜂窩應用的其他線性調制技術。本文的思路是使調諧電路簡單化和小型化。這對于3G應用也有相同作用，且能擴展到包括用于線性控制的諧波調諧，使這些應用具有更高的效率。

　　最后，在有調諧和無調諧情況下在天線測量室中使用仿真的頭和手檢驗性能。該測量室需要連續(xù)信號，而功率放大器不能承受高功率電平下的連續(xù)操作。這需要降低輻射功率電平，而在該條件下，調諧性能改善并不明顯。然而，在三種測試情況中仍然得到1dB的整體效率提高，如表1所示。

　　表1 有調諧和無調諧的結果對比

　　調諧元件特性

　　最后的考慮是匹配電路中使用的調諧元件。如果對該元件的要求過于苛刻以致難以實現(xiàn)，則使該解決方案的成本太高而受到限制。表2給出調諧元件的性能。

　　表2 調諧元件特性

　　調諧電路拓撲需要略低于10:1的調諧范圍，這限制了供貨商的范圍，但仍然有供貨商能滿足表中所示的范圍要求。所有其他的參數(shù)均滿足或優(yōu)于調諧電路元件以及蜂窩電話語音應用和3G數(shù)據(jù)應用的要求。此外，調諧元件的頻率范圍和功率容量性能優(yōu)于表中所示的范圍。表中的限制是由測試設備的限制產生的。

　　結語

　　本文給出的簡化可調諧匹配電路能在蜂窩應用的多種嚴酷的環(huán)境條件下改善由天線帶給PA的回波損耗。相對于能夠將幾乎任何阻抗匹配到理想的50Ω阻抗的較昂貴的、較大的可調諧系統(tǒng)，該簡化的可調諧電路僅使用一個可調諧元件即可實現(xiàn)該可調諧系統(tǒng)的大部分性能，同時可降低成本和尺寸。此外，該電路具有適用于 GSM以及寬帶調制系統(tǒng)的足夠的帶寬容量。RF性能測試表明該電路可以在多種嚴酷的測試條件下顯著提高效率，同時保持良好的線性性能。在頭和手阻擋的條件下執(zhí)行測試時，該調諧技術還可用于滿足連接到單個天線的多個無線應用的寬帶工業(yè)需求。能夠匹配多個頻帶的特性，即使在自由空間條件下，也能降低天線的回波損耗。最后，即使在無調諧情況下，同時設計天線和功率放大器仍有利于控制接口阻抗。這對于諧波而言特別重要。