中心議題：

• 天線調諧的架構
• 如何阻抗匹配天線調諧

解決方案：

• 可調電容器
• 可調電阻器

如今的移動電話不僅要支持蜂窩頻率，還要支持那些用於移動電視
、藍牙、WLAN和定位服務的非蜂窩特性。由於每次手機換代都縮小了天線的可用空間，天(tian)線(xian)被(bei)包(bao)在(zai)相(xiang)機(ji)和(he)鍵(jian)盤(pan)電(dian)路(lu)周(zhou)圍(wei)並(bing)重(zhong)新(xin)安(an)排(pai)路(lu)徑(jing)，導(dao)致(zhi)天(tian)線(xian)效(xiao)率(lv)降(jiang)低(di)。一(yi)部(bu)分(fen)性(xing)能(neng)損(sun)失(shi)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)天(tian)線(xian)調(tiao)諧(xie)得(de)到(dao)恢(hui)複(fu)，即(ji)使(shi)用(yong)動(dong)態(tai)阻(zu)抗(kang)調(tiao)諧(xie)技(ji)術(shu)根(gen)據(ju)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)和(he)環(huan)境(jing)條(tiao)件(jian)優(you)化(hua)天(tian)線(xian)的(de)性(xing)能(neng)。然(ran)而(er)，所(suo)麵(mian)臨(lin)的(de)挑(tiao)戰(zhan)是(shi)

，任(ren)何(he)成(cheng)功(gong)的(de)天(tian)線(xian)調(tiao)諧(xie)方(fang)案(an)均(jun)須(xu)滿(man)足(zu)損(sun)耗(hao)低(di)、線性度高
、能夠處理很高強度的RF信號且耗能少的要求。
　　
天線調諧架構
　　
當無源天線不再滿足帶寬要求提高、手機設計更複雜、天線可用空間更小等性能要求時，通常使用開環天線調諧係統。在開環係統中，可調諧元件根據靜態信息(如發射/接收頻率


、調製方案或使用情況)在設定的頻段和工作模式下微調天線的性能(見圖1)。但由於開環係統不對天線的運行狀況進行實時測量
，因此無法具體考慮環境條件。
　　
在移動設備中，環境條件非常重要，它們在用戶行走、kaichehuoyidongshouzhishifashengbianhua。tianxianshejizhekeshiyongzishiyingbihuantianxiantiaoxiejishulaiyingduizhexietiaojianbianhua。zaibihuantiaoxiefanganzhong，shipeichuanganqigenzongtianxiandeyunxingzhuangkuangbingtigongfanyingshijiqingkuangdefankuixinhao。
　　
失配傳感器把VSWR(反射回天線的功率幅度)與發射功率進行比較並調節阻抗調諧電路。調諧算法使可調元件在各種使用情況下持續跟蹤環境條件，並把阻抗調到最優值(見圖1)。


圖1：開環(左)和閉環(右)天線調諧方案
　　
調諧挑戰
　　
理論是有用的，但在蜂窩電話中實現自適應天線調諧的最大障礙是缺乏電氣參數可調、損耗低且調整比足夠寬的高性能無功元件。在“高性能”方麵，最具挑戰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的發射功率

，但在失配條件下，調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。
　　
為尋找更好的調諧材料，人們在過去幾年裏進行了大量的研究。例如，為實現可調的天線和濾波器，一些研究者已經使用了微機電係統(MEMS)和鐵電材料技術(如鈦酸鍶鋇，BST)。這zhe些xie技ji術shu盡jin管guan有you發fa展zhan前qian景jing，但dan目mu前qian仍reng麵mian臨lin著zhe巨ju大da的de技ji術shu和he製zhi造zao障zhang礙ai。要yao充chong分fen滿man足zu天tian線xian調tiao諧xie的de需xu要yao，設she計ji人ren員yuan需xu要yao能neng支zhi持chi量liang產chan的de技ji術shu
，最zui好hao是shi成cheng熟shu的de技ji術shu。
　　
天線複雜性
　　
天線是複雜器件

，嵌入在手機中的天線也不例外。由於手機的RF收發器是針對50Ω阻抗設計的，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”)。使用者的身體也吸收功率

，進一步限製了天線的輻射效率。手機天線通常在VSWR優於3:1的狀態下工作，但如果使用者把手指放在天線發射器上，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設計的，那麼可能會出問題。圖2顯示了“手效應”的影響
，所謂手效應是指當手放在天線發射器附近時天線產生諧振點偏移(detuning)。這個效應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射器附近時，天線的諧振頻率發生改變，導致在預定工作頻率失配。[page]

當天線端口處在失配狀態時，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計指標)的狀態
，大約1.25dB的功率由於反射而立即損失;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shu出chu功gong率lv下xia降jiang，進jin一yi步bu減jian少shao了le輻fu射she功gong率lv。如ru果guo手shou機ji的de窄zhai帶dai雙shuang工gong或huo接jie收shou濾lv波bo器qi沒mei有you端duan接jie到dao其qi特te征zheng阻zu抗kang，在zai其qi通tong帶dai中zhong還hai會hui出chu現xian紋wen波bo，並bing額e外wai帶dai來lai高gao達da2dB的損失。在圖3中，綠線代表典型的WCDMA雙工發射濾波器在阻抗為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;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射出去的功率量造成嚴重影響。諧振點偏移的後果是電池壽命縮短、鏈接範圍縮小和呼叫質量降低，並導致掉線數量增多。為解決這個問題
，許多服務提供商都已建立了TRP(總輻射功率)和TIS(全向靈敏度)規範。要滿足這些規範
，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。
　　
自適應天線調諧有望成為滿足這些新型TRP和TIS規範的好方法，天線調諧器可以不受環境的影響而使天線呈50Ωtexing，bingshixitongdeqitabufenzaizuiyoutiaojianxiagongzuo。jinguantianxiantiaoxieqidailaiyixieewaidecharusunhao，dantongweijiarutianxiantiaoxieqideqingkuangxiangbi，zishiyingtianxiantiaoxiejiangjidadijiangdicongtiaoxieqishuruduandaotianxianshuruduandezongcharusunhao(見圖4)
，進而改善性能。


圖4：對自適應閉環係統的仿真顯示
，與未使用天線調諧器的係統(紅線)相比，加入天線調諧器(藍線)可降低插入損耗。
　　
duoboduanshoufaxitongdetianxianyaoqiuzishiyingtianxiantiaoxiedianlunenggouzaiyizhidaoboduanbianyandezhenggeboduanneibaozhengxingneng，nengzhudonggenzongxiezhendianpianyibingxunsubatianxiandexiezhendiantiaohuilai。zhegetiaoxiedianlubixujuyoujigaodexianxingduyibimianchanshengxiebohuohutiaoshizhen
，tongshi
，haiyinggaitijixiaobingnaiyong
，tiaoxiebizhishaowei3:1，整個電路的功耗應低於1mA。為了有效地改善性能，電路的插入損耗一定要小，因此品質因數(Q)至少應達到50。
　　
新型數字可調電容器
　　
Peregrine半導體公司的設計人員已基於該公司的UltraCMOS工藝和HaRP創新設計開發出DuNE技術，並已申報專利。DuNE數字可調電容器(DTC)芯片是為滿足天線調諧要求而設計的，它內含一些高Q值電容和一個串行接口

，並具有偏置電壓低和線性度高的優點。該器件采用倒裝芯片封裝，麵向GSM/WCDMA手機的DuNEDTC的尺寸為1.36×0.81mm(見圖5)。


圖5：麵向GSM/WCDMA應用的DuNEDTC器件倒裝芯片外觀圖。[page]

實測性能
　　
由於使用了完全絕緣的藍寶石基底
，與笨重的CMOS和SOI技術相比，UltraCMOS場效應晶體管(FET)的一個主要優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值或調諧比。
　　
該技術有潛力開發出滿足眾多應用係統和工作條件要求的DuNEDTC。目前已設計出電容範圍為0.5pF到10pF、調諧比為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範圍內把Q值設定為40到80(見圖7)。除了在50Ω可處理>+38dBm的功率和開關速度優於5秒之外(見圖8)

，這些新型DTC的功耗約為100μA(低於一些替代調諧技術的幅度)。


圖6：實測結果表明，5位DuNEDTC器件具有良好的線性調諧特性，電容範圍為1.15到3.4pF(調諧比為3:1)。
　　


　圖7：DuNEDTC器件的品質因數實測結果，在900MHz時其Q值為60-70。

　圖8：當輸入功率高達+40dBm時，三次諧波幅度低於-36dBm，滿足GSM規範。
　　基於成熟的設計模塊和每周數百萬出貨量的工藝技術，DuNE技術可極大地擴展手機設計人員的選擇空間。DTC的所有參數(電容值
、調諧比、品質因數
、功率處理能力)都可通過電路設計而不是材料工程來改變
，從而大大加快了新型專用設計的開發進程。麵向蜂窩電話和移動電視應用的DuNEDTC已經在試產階段
，計劃在2009-2010年開始量產。這項先進的技術創新可以把完整的自適應天線調諧係統集成到單片中，進而極大地提高了新型手機設計的天線性能。