無線產(chǎn)品功率放大器-天線接口的自適應(yīng)調(diào)諧設(shè)計(jì)

目前無線產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理涉及將功率放大器(PA)和低噪聲放大器(LNA)設(shè)計(jì)為具有獨(dú)立于天線的50Ω阻抗，而天線也被盡可能設(shè)計(jì)為在所需的頻帶上具有 50Ω阻抗。對于將兩者集成到一個(gè)模塊中的情況，即使在理想的自由空間條件下，仍然會導(dǎo)致較差的性能。集中多個(gè)無線應(yīng)用在單個(gè)設(shè)備中需要天線在較多頻帶上操作，因此會影響性能。此外，最新的變形手機(jī)設(shè)計(jì)趨勢對天線有不利的影響。這些變形手機(jī)包括滑蓋手機(jī)和旋轉(zhuǎn)手機(jī)，需要天線在所有位置工作。最重要的因素是，天線的阻抗取決于同其他導(dǎo)體和電介質(zhì)的接近程度。對于蜂窩產(chǎn)品而言，最常見的導(dǎo)體和電介質(zhì)是用戶的手和頭。然而，在將電話用作調(diào)制解調(diào)器時(shí)，無線數(shù)據(jù)應(yīng)用將其他導(dǎo)體和電介質(zhì)引入到天線環(huán)境，諸如木質(zhì)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(yīng)的方法是使用負(fù)載不敏感PA或連續(xù)可調(diào)諧天線。但其缺點(diǎn)是：盡管負(fù)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(jī)的接收機(jī)部分的噪聲源不敏感LNA不是標(biāo)準(zhǔn)供貨產(chǎn)品；連續(xù)可調(diào)諧天線在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中提供了信道帶寬上的理想調(diào)諧，但這是以物料成本增加和電路板面積變大為代價(jià)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(shí)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(shí)，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(nèi)部的蜂窩無線電天線模塊。針對天線負(fù)載條件使天線和RF電路之間實(shí)現(xiàn)最佳匹配。對于處理天線經(jīng)歷不同負(fù)載條件的可調(diào)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(dá)到20dB的良好的回波損耗，但不具備理想的50Ω阻抗。同時(shí)，該方法不能使所有的可能阻抗匹配達(dá)到良好的回波損耗，但可使天線在上述多種嚴(yán)酷環(huán)境條件下經(jīng)歷的阻抗匹配。這將實(shí)現(xiàn)理想的50Ω阻抗可調(diào)諧電路的大部分性能的提高，同時(shí)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(diào)諧匹配電路可使最嚴(yán)酷應(yīng)用條件下天線的阻抗匹配達(dá)到良好的回波損耗。如圖1所示，針對該電路進(jìn)行仿真以觀察能夠達(dá)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(diào)諧元件匹配電路的范圍

圖2所示為該范圍的6個(gè)應(yīng)用條件下的天線阻抗。

圖2 具有附加的天線阻抗的調(diào)諧電路范圍

這6個(gè)條件均得到該可調(diào)諧匹配電路的良好處理。然而，不同于使用較復(fù)雜和昂貴的可調(diào)諧匹配電路，在另外兩個(gè)條件下放棄了20dB的匹配標(biāo)準(zhǔn)。在高頻帶和低頻帶上對超過20個(gè)不同的條件進(jìn)行了測試。

可調(diào)諧匹配電路的帶寬容量

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

如圖3所示，簡單的低成本單調(diào)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(shí)覆蓋DCS 1800和PCS 1900頻帶，如圖3左上角的曲線所示。然而，實(shí)際上如圖3下面的兩個(gè)曲線所示，利用該單調(diào)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(diào)諧電路回波損耗性能的改善

這產(chǎn)生兩個(gè)主要結(jié)果。第一個(gè)結(jié)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(jié)果涉及方案實(shí)現(xiàn)?？珙l譜所需的調(diào)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(jī)對調(diào)諧電壓進(jìn)行大的調(diào)整，因此可顯著減少對控制環(huán)路動態(tài)響應(yīng)的考慮。不需要考慮控制環(huán)路在進(jìn)行調(diào)整時(shí)會在部分突發(fā)過程中偏轉(zhuǎn)到較差的調(diào)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(shí)覆蓋完整的800MHz和900MHz頻帶。

圖4 GSM低頻帶下的調(diào)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(diào)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(jī)殼內(nèi)部。該金屬元件是平衡-非平衡 (BALUN)器件。BALUN可消除導(dǎo)線效應(yīng)或自導(dǎo)線輻射的電流。

將天線置于面對遠(yuǎn)離頭部方向的手機(jī)頂部且將手放在手機(jī)上面時(shí)，呈現(xiàn)出PA的所有可能阻抗。這些阻抗是在調(diào)諧過程中由施加到調(diào)諧元件的調(diào)諧電壓生成的所有可能阻抗。當(dāng)環(huán)路檢測到好的匹配條件時(shí)，該環(huán)路將停止工作，因此該環(huán)路并未調(diào)諧到每個(gè)上述調(diào)諧電壓。此外，在切換時(shí)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(diào)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(diào)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(shè)計(jì)為具有兩個(gè)環(huán)路動態(tài)響應(yīng)，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(yīng)。

RF性能

盡管實(shí)現(xiàn)了回波損耗的改善，但設(shè)計(jì)者最關(guān)心的是整體RF的性能。調(diào)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(shí)保持或改善線性性能。通過在調(diào)諧元件上設(shè)定相同的電壓并且使用導(dǎo)線連接功率放大器和可調(diào)諧匹配電路，測量調(diào)諧電路后面的天線阻抗。測試結(jié)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(shù)可用于如3G數(shù)據(jù)蜂窩應(yīng)用的其他線性調(diào)制技術(shù)。本文的思路是使調(diào)諧電路簡單化和小型化。這對于3G應(yīng)用也有相同作用，且能擴(kuò)展到包括用于線性控制的諧波調(diào)諧，使這些應(yīng)用具有更高的效率。

最后，在有調(diào)諧和無調(diào)諧情況下在天線測量室中使用仿真的頭和手檢驗(yàn)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(diào)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(diào)諧和無調(diào)諧的結(jié)果對比

調(diào)諧元件特性

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

表2 調(diào)諧元件特性

調(diào)諧電路拓?fù)湫枰缘陀?0:1的調(diào)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(diào)諧電路元件以及蜂窩電話語音應(yīng)用和3G數(shù)據(jù)應(yīng)用的要求。此外，調(diào)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(shè)備的限制產(chǎn)生的。

結(jié)語

本文給出的簡化可調(diào)諧匹配電路能在蜂窩應(yīng)用的多種嚴(yán)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?qū)缀跞魏巫杩蛊ヅ涞嚼硐氲?0Ω阻抗的較昂貴的、較大的可調(diào)諧系統(tǒng)，該簡化的可調(diào)諧電路僅使用一個(gè)可調(diào)諧元件即可實(shí)現(xiàn)該可調(diào)諧系統(tǒng)的大部分性能，同時(shí)可降低成本和尺寸。此外，該電路具有適用于 GSM以及寬帶調(diào)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(yán)酷的測試條件下顯著提高效率，同時(shí)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(shí)，該調(diào)諧技術(shù)還可用于滿足連接到單個(gè)天線的多個(gè)無線應(yīng)用的寬帶工業(yè)需求。能夠匹配多個(gè)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(diào)諧情況下，同時(shí)設(shè)計(jì)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。