動態(tài)阻抗調(diào)諧技術(shù)--可提高手機天線性能

如今的移動電話不僅要支持蜂窩頻率，還要支持那些用于移動電視、藍牙、WLAN和定位服務(wù)的非蜂窩特性。由于每次手機換代都縮小了天線的可用空間，天線被包在相機和鍵盤電路周圍并重新安排路徑，導致天線效率降低。一部分性能損失可以通過天線調(diào)諧得到恢復，即使用動態(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、能夠處理很高強度的RF信號且耗能少的要求。

　　天線調(diào)諧架構(gòu)

　　當無源天線不再滿足帶寬要求提高、手機設(shè)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(diào)諧系統(tǒng)。在開環(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(shè)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(shè)計者可使用自適應(yīng)閉環(huán)天線調(diào)諧技術(shù)來應(yīng)對這些條件變化。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(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(見圖1)。

　　圖1：開環(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(diào)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(diào)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(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(shè)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(shè)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(yīng)”)。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(shè)計的，那么可能會出問題。圖2顯示了“手效應(yīng)”的影響，所謂手效應(yīng)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(yīng)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(shè)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(yīng);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(zhì)量降低，并導致掉線數(shù)量增多。為解決這個問題，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(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 (見圖4)，進而改善性能。

　　圖4：對自適應(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波段內(nèi)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(diào)回來。這個調(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，還應(yīng)該體積小并耐用，調(diào)諧比至少為3:1，整個電路的功耗應(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)達到50。

　　新型數(shù)字可調(diào)電容器

　　Peregrine半導體公司的設(shè)計人員已基于該公司的UltraCMOS工藝和HaRP創(chuàng)新設(shè)計開發(fā)出DuNE技術(shù)，并已申報專利。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)計的，它內(nèi)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(yīng)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(shù)相比，UltraCMOS場效應(yīng)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(diào)諧比。

　　該技術(shù)有潛力開發(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)的DTC(見圖6)。這些DTC可在1到2GHz 范圍內(nèi)把Q值設(shè)定為40到80 (見圖7)。除了在50Ω可處理>+38dBm的功率和開關(guān)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(diào)諧技術(shù)的幅度)。

　　圖6：實測結(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)實測結(jié)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(shè)計模塊和每周數(shù)百萬出貨量的工藝技術(shù)，DuNE技術(shù)可極大地擴展手機設(shè)計人員的選擇空間。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)都可通過電路設(shè)計而不是材料工程來改變，從而大大加快了新型專用設(shè)計的開發(fā)進程。面向蜂窩電話和移動電視應(yīng)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(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，進而極大地提高了新型手機設(shè)計的天線性能。