手機自適應天線(xiàn)調諧方案

如今的手機不僅僅是通話(huà)設備，它還必須支持移動(dòng)電視、藍牙、WLAN和GPS等應用。由于新特性、新功能以及輕薄短小的工業(yè)設計要求，留給手機天線(xiàn)的空間非常有限。天線(xiàn)被裹包在設計內并被施以彎曲布線(xiàn)，因而降低了其效率。幸運地是，這種天線(xiàn)性能損失可以通過(guò)天線(xiàn)調諧來(lái)補償，天線(xiàn)調諧利用動(dòng)態(tài)阻抗調諧技術(shù)來(lái)優(yōu)化天線(xiàn)性能。

當 無(wú)源天線(xiàn)無(wú)法滿(mǎn)足預期性能要求時(shí)，通常采用開(kāi)環(huán)天線(xiàn)調諧系統，對天線(xiàn)在設定頻段和工作模式的性能進(jìn)行微調。這種技術(shù)還會(huì )把與發(fā)射/接收頻率、調諧機制或手 機使用狀態(tài)(滑蓋或折疊)等相關(guān)的環(huán)境因素考慮在內。當設計手機的時(shí)候，這些信息被存儲在基帶存儲器內的查找表中。但開(kāi)環(huán)系統不對天線(xiàn)的工作狀況進(jìn)行實(shí)時(shí) 監測，所以它無(wú)法把變化的環(huán)境因素考慮在內。

在蜂窩手機內實(shí)現天線(xiàn)調諧的最大障礙是缺少一種損耗低、調諧率高的高性能、可電 調諧電抗元件。這種元件的最大挑戰是功率處理能力和線(xiàn)性度。用于GSM發(fā)射器的天線(xiàn)功率要達到+33dBm，但在不匹配條件下，可調諧元件必須要能處理功 率達+40dBm(30V峰值)的RF信號。

為實(shí)現可調諧天線(xiàn)和濾波器，設計人員采用微機電系統(MEMS)和諸如鈦酸鍶鋇(BST)等鐵電材料技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗。雖然這些技術(shù)具有很大應用前景，但現在尚不能大批量生產(chǎn)。為解決手機天線(xiàn)的可調諧問(wèn)題，設計人員需采用經(jīng)過(guò)驗證且可立即投入大批量生產(chǎn)的新技術(shù)。

手機RF收發(fā)器部分的阻抗被設計成50Ω。理想情況下，天線(xiàn)應在整個(gè)頻段的阻抗都為50Ω。但這種情況幾乎不會(huì )出現，因為小巧手機的天線(xiàn)與生俱來(lái)就具有帶寬窄、匹配性能較差、發(fā)射效率低等特征。帶寬限制迫使手機天線(xiàn)設計人員在整個(gè)工作頻段內不將天線(xiàn)阻抗目標設定為50Ω。

用 戶(hù)拿持手機的方式等環(huán)境因素也將影響手機天線(xiàn)的阻抗。一般情況下，手機天線(xiàn)工作的電壓駐波比(VSWR)小于3.0:1，但當用戶(hù)的手指放在天線(xiàn)發(fā)射器上 時(shí)，VSWR會(huì )被惡化至9.0:1�？紤]到信號鏈上所有設備都被設計為工作在理想的1.0:1的VSWR，所以即便在開(kāi)闊無(wú)障礙的地方，這種性能惡化的后 果也非常嚴重。

為滿(mǎn)足這些嚴苛的功率要求，自適應天線(xiàn)調諧也許是唯一選擇。這個(gè)方法強制天線(xiàn)在怎樣環(huán)境下都具有50Ω阻抗， 從而使系統其它部分工作在最優(yōu)狀態(tài)下。雖然當天線(xiàn)阻抗為50Ω(1.0:1 VSWR)時(shí)，天線(xiàn)調諧器將自身的損耗增加到了電路中，但與未經(jīng)過(guò)校正的系統相比，自適應天線(xiàn)調諧技術(shù)可以顯著(zhù)降低調諧器輸入到天線(xiàn)輸入之間的整體插入損 耗，從而提升PA和RF濾波器的性能。

手機天線(xiàn)設計人員面臨的另一個(gè)挑戰是發(fā)射和接收的頻率不同。多頻段天線(xiàn)要求電路在頻段邊沿具有很好的性能，并能主動(dòng)跟蹤天線(xiàn)的失諧，并在很短的時(shí)間對重新將天線(xiàn)調諧到合適的狀態(tài)。

有 幾項技術(shù)被建議用作天線(xiàn)調諧方案，包括采用MEMS開(kāi)關(guān)電容和BST電容。不過(guò)，采用MEMS和BST技術(shù)的主要挑戰在于：它們都需要高偏置電壓(30V 或更高)才能實(shí)現調諧，通常需要一個(gè)獨立CMOS充電泵和控制芯片。一般無(wú)法將這些技術(shù)與RF、模擬和數字電路集成在同一裸片上，因此，實(shí)現自適應天線(xiàn)調 諧器需要用到多個(gè)IC。典型情況下，基于MEMS和BST技術(shù)的自適應天線(xiàn)調諧器都是采用多芯片模塊(MCM)技術(shù)實(shí)現的。

作 為MEMS和BST方法的一種替代方案，Peregrine Semiconductor采用其UltraCMOS工藝技術(shù)和HaRP設計創(chuàng )新，開(kāi)發(fā)了一種已申請設計方法學(xué)專(zhuān)利的DuNE技術(shù)，來(lái)制造實(shí)用的數字調諧 電容器(DTC)(圖)。它們帶數字控制功能的可變電容器，可滿(mǎn)足蜂窩手機天線(xiàn)調諧對低偏置電壓、高線(xiàn)性和高調諧精度的要求。該DTC采用倒芯片封裝，尺 寸僅1.36×0.81mm。

采用DuNE技術(shù)能在單芯片中集成自適應天線(xiàn)調諧器的關(guān)鍵構建模塊。

與 體CMOS和絕緣硅(SOI)技術(shù)不同，UltraCMOS場(chǎng)效應管(FET)因采用完全絕緣的藍寶石基底，所以可被堆疊起來(lái)處理很大的RF功率。它能 在+20dBm到超過(guò)+40dBm的功率范圍內進(jìn)行調諧，能滿(mǎn)足GSM和WCDMA手機對功率的要求，而不是降低Q值或調諧率。