新型調(diào)諧技術(shù)提高手機(jī)天線性能

如今的移動(dòng)電話不僅要支持蜂窩頻率，還要支持那些用于移動(dòng)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(pán)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(guò)天線調(diào)諧得到恢復(fù)，即使用動(dòng)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(hào)且耗能少的要求。

　　天線調(diào)諧架構(gòu)

　　當(dāng)無(wú)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(shí)，通常使用開(kāi)環(huán)天線調(diào)諧系統(tǒng)。在開(kāi)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(jiàn)圖1)。但由于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)不對(duì)天線的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，因此無(wú)法具體考慮環(huán)境條件。

　　在移動(dòng)設(shè)備中，環(huán)境條件非常重要，它們?cè)谟脩粜凶摺㈤_(kāi)車或移動(dòng)手指時(shí)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(lái)應(yīng)對(duì)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(hào)。

　　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(jiàn)圖1)。

　　圖1：開(kāi)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(wú)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(hào)。

　　為尋找更好的調(diào)諧材料，人們?cè)谶^(guò)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(duì)50Ω阻抗設(shè)計(jì)的，因此其天線最好也能在整個(gè)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(gè)波段通常是按非50Ω阻抗設(shè)計(jì)的，對(duì)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(hào)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(huì)出問(wèn)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(shí)天線產(chǎn)生諧振點(diǎn)偏移(detuning)。這個(gè)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(shí)，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。

　　當(dāng)天線端口處在失配狀態(tài)時(shí)，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(shè)計(jì)指標(biāo))的狀態(tài)，大約1.25dB的功率由于反射而立即損失；如果VSWR達(dá)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(jìn)一步減少了輻射功率。如果手機(jī)的窄帶雙工或接收濾波器沒(méi)有端接到其特征阻抗，在其通帶中還會(huì)出現(xiàn)紋波，并額外帶來(lái)高達(dá)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(shí)的性能。紅線是標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，藍(lán)線顯示當(dāng)天線在所有相位VSWR均為5：1時(shí)的濾波器響應(yīng)；注意在最壞情況下插入損耗達(dá)5dB。

　　圖3： 當(dāng)手機(jī)的窄帶雙工或接收濾波器沒(méi)有端接到其特征阻抗時(shí)，在通帶中也會(huì)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(duì)手機(jī)天線發(fā)射出去的功率量造成嚴(yán)重影響。諧振點(diǎn)偏移的后果是電池壽命縮短、鏈接范圍縮小和呼叫質(zhì)量降低，并導(dǎo)致掉線數(shù)量增多。為解決這個(gè)問(wèn)題，許多服務(wù)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(cè)試手機(jī)時(shí)須模擬實(shí)際使用情況(針對(duì)頭和手)，而不是簡(jiǎn)單地在50Ω環(huán)境下完成傳導(dǎo)性測(cè)量或在自由空間中對(duì)電話進(jìn)行測(cè)試。

　　自適應(yīng)天線調(diào)諧有望成為滿足這些新型TRP和TIS規(guī)范的好方法，天線調(diào)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(diào)諧器帶來(lái)一些額外的插入損耗，但同未加入天線調(diào)諧器的情況相比，自適應(yīng)天線調(diào)諧將極大地降低從調(diào)諧器輸入端到天線輸入端的總插入損耗(見(jiàn)圖4)，進(jìn)而改善性能。

　　圖4：對(duì)自適應(yīng)閉環(huán)系統(tǒng)的仿真顯示，與未使用天線調(diào)諧器的系統(tǒng)(紅線)相比，加入天線調(diào)諧器(藍(lán)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(yīng)天線調(diào)諧電路能夠在一直到波段邊沿的整個(gè)波段內(nèi)保證性能，能主動(dòng)跟蹤諧振點(diǎn)偏移并迅速把天線的諧振點(diǎn)調(diào)回來(lái)。這個(gè)調(diào)諧電路必須具有極高的線性度以避免產(chǎn)生諧波或互調(diào)失真，同時(shí)，還應(yīng)該體積小并耐用，調(diào)諧比至少為3:1，整個(gè)電路的功耗應(yīng)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(zhì)因數(shù)(Q)至少應(yīng)達(dá)到50。

　　新型數(shù)字可調(diào)電容器

　　Peregrine半導(dǎo)體公司的設(shè)計(jì)人員已基于該公司的UltraCMOS工藝和HaRP創(chuàng)新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出DuNE技術(shù)，并已申報(bào)專利。DuNE數(shù)字可調(diào)電容器(DTC)芯片是為滿足天線調(diào)諧要求而設(shè)計(jì)的，它內(nèi)含一些高Q值電容和一個(gè)串行接口，并具有偏置電壓低和線性度高的優(yōu)點(diǎn)。該器件采用倒裝芯片封裝，面向GSM/WCDMA手機(jī)的DuNE DTC的尺寸為1.36×0.81mm (見(jiàn)圖5)。

圖5：面向GSM/WCDMA應(yīng)用的DuNE DTC器件倒裝芯片外觀圖。

　　實(shí)測(cè)性能

　　由于使用了完全絕緣的藍(lán)寶石基底，與笨重的CMOS和SOI技術(shù)相比，UltraCMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是可以疊在一起來(lái)處理高強(qiáng)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(qiáng)度RF功率的同時(shí)不降低Q值或調(diào)諧比。

　　該技術(shù)有潛力開(kāi)發(fā)出滿足眾多應(yīng)用系統(tǒng)和工作條件要求的DuNE DTC。目前已設(shè)計(jì)出電容范圍為0.5pF到10pF、調(diào)諧比為3:1到6:1、分辨率為5位(32級(jí))的DTC(見(jiàn)圖6)。這些DTC可在1到2GHz 范圍內(nèi)把Q值設(shè)定為40到80 (見(jiàn)圖7)。除了在50Ω可處理>+38dBm的功率和開(kāi)關(guān)速度優(yōu)于5秒之外(見(jiàn)圖8)，這些新型DTC的功耗約為100μA(低于一些替代調(diào)諧技術(shù)的幅度)。

　　圖6：實(shí)測(cè)結(jié)果表明，5位DuNE DTC器件具有良好的線性調(diào)諧特性，電容范圍為1.15到3.4pF(調(diào)諧比為3:1)。

　　圖7：DuNE DTC器件的品質(zhì)因數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果，在900MHz時(shí)其Q值為60-70。

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

　　基于成熟的設(shè)計(jì)模塊和每周數(shù)百萬(wàn)出貨量的工藝技術(shù)，DuNE技術(shù)可極大地?cái)U(kuò)展手機(jī)設(shè)計(jì)人員的選擇空間。DTC的所有參數(shù)(電容值、調(diào)諧比、品質(zhì) 因數(shù)、功率處理能力)都可通過(guò)電路設(shè)計(jì)而不是材料工程來(lái)改變，從而大大加快了新型專用設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。面向蜂窩電話和移動(dòng)電視應(yīng)用的DuNE DTC已經(jīng)在試產(chǎn)階段，計(jì)劃在2009-2010年開(kāi)始量產(chǎn)。這項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)創(chuàng)新可以把完整的自適應(yīng)天線調(diào)諧系統(tǒng)集成到單片中，進(jìn)而極大地提高了新型手機(jī) 設(shè)計(jì)的天線性能。