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更高的数据速率意味着更多的天线

发布时间:2019-06-03 23:31 来源:未知 编辑:admin

  为使智能手机在不断增加的 RF 频段范围内高效工作并支持向 5G 过渡,天线孔径调谐至关重要。智能手机需要更多天线来支持不断增加的 RF 要求(例如新的 5G 频段、MIMO 和载波聚合),但是由于智能手机工业设计的变化,提供给这些天线的可用空间却很小。因此,天线变得越来越小,这可能会降低天线的效率和带宽。

  利用孔径调谐技术可以解决这一问题,通过对天线进行调谐,就能够在多个频段高效运行,并使 Tx 和 Rx 的性能提高 3 dB。孔径调谐通过可调谐电容或调谐器开关配合调谐组件来实现;低 RON 和低 COFF 的开关是获得最大效率的关键所在。孔径调谐技术还支持天线同时在多个频段通信以支持载波聚合。实现孔径调谐需要深入了解如何针对每个应用运用该技术。

  天线效率在智能手机的整体 RF 性能中发挥着至关重要的作用。然而,当前的 RF 需求(尤其是即将过渡至 5G)以及智能手机工业设计的广泛趋势,意味着智能手机必须要将更多的天线安装到更小的空间内。

  图 1. 随着向 5G 过渡,为了支持新的频段以及 MIMO 和 CA 的要求,天线、天线面积减少

  随着制造商改变工业设计和不断增加新功能,天线的可用空间不断缩小,这个问题愈发严重。其中一项重大变化是改用全屏手机,显示屏几乎占据了手机的整个正面;因此,在屏幕之外可供天线使用的空间更少。制造商还增加了更多的摄像头,使手机内的可用空间进一步缩小。

  要将更多的天线安装到更小的空间内意味着天线变得越来越小,天线尺寸缩小将导致天线 显示采用全屏设计时,天线效率如何随着手机顶部的辐射元件与地(位于屏幕边缘)之间的距离缩小而降低。

  天线数量更多且尺寸更小,还意味着手机对其环境变化(例如手握电话的位置)引起的瞬态效应更敏感。这些瞬态效应可能包括效率降低和频率响应漂移。

  图 3 的天线“权衡三角形”显示了天线尺寸缩小对效率和带宽的影响。如果天线尺寸保持不变,则可以通过牺牲效率以换取更宽的带宽。

  在天线尺寸较大的上一代手机中,这种权衡方案可能还是可以接受的,因为天线仍然既能满足性能要求,同时还支持更宽的频段范围。但随着天线尺寸缩小,这种权衡方案就行不通了;在新的全屏设计中,天线只能在较窄的频率范围内达到所需的效率水平。

  因此,为了满足目前手机设计需支持的宽频率范围,必须进行天线调谐,以便在每个频率均实现高效工作。

  目前,为了克服因天线面积和效率降低所导致的问题,手机中主要采用孔径调谐法。随着向 5G 过渡,使智能手机支持不断扩大的频段范围至关重要。

  孔径调谐对发射和接收通信应用的天线效率都会产生很大影响,根据不同的应用,总辐射功率 (TRP) 和总全向灵敏度 (TIS) 可提高 3 dB 甚至更多。

  天线 所示。在天线和地之间连接一个开关,用来调节天线的谐振频率,以匹配手机通信当前使用的频率。

  在开关和辐射元件之间添加不同的调谐组件(电容或电感),可进一步调节谐振频率,以支持不同的频段。图 4 显示了开关断开、导通时以及在电路中添加电感或电容时天线的谐振频率。

  为了说明孔径调谐的概念,图 4 中的每个组件都连接至一个简单的开关。然而,在一些应用中(例如主手机天线),可以使用更复杂的多掷开关来连接多个调谐组件,支持更宽的频段范围。

  选择合适的调谐组件非常重要。例如,最好避免使用超过 36 nH 的电感,因为其自谐振频率较低。此外,由于 PC 板布局引起的寄生效应会进一步降低电感的自谐振频率,使谐振处于蜂窝网络频率范围内。

  使用低于 0.5 pF 的电容值很可能意味着选择的组件具有高容差。然而,高容差电容会导致电容值的变化超出预期,从而产生调谐和效率问题。

  在设计 RF 系统和添加天线孔径电路时,必须要考虑寄生效应。在考虑电路布局时了解会产生寄生效应的位置非常重要,因为它们会导致谐振频率的损失与变化。

  在进行手机的 PC 板布局时,需要考虑焊盘尺寸和焊盘形状,因为焊盘或走线布局不当会增加寄生电容和电感。

  1减少短接,因为它们可能导致信号完整性问题。2减少走线宽度突然变化的设计,例如 90 度弯曲。最好采用平滑过渡的方式。(参见图 5)3优化焊盘尺寸和位置,因为它们会增加寄生电容。4尽可能使孔径调谐器和 RF 天线馈电点之间的距离最小,以最大限度地减小寄生效应对天线创建良好的 RF 反向电流路径。接地端靠近天线时会降低天线

  7确保通过低阻抗路径将接地路径连接到电路板地。这能最大限度地减少噪声耦合并改善调谐器的线在所有 RF 组件周围提供足够的离地间隙。尽量不要将地靠近 RF 端口放置,因为这会增加寄生电容。(参见图 6)9避免在调谐器下布局电源走线和控制走线,因为来自电源线和控制线的噪声会耦合到天线上。在孔径调谐器和可能产生噪音的所有电源线 mm 的电源线走线需使用铁氧体磁珠或扼流圈。

  图 7 显示了这一工作原理。每个谐振频率沿天线具有不同的电压分布。电压分布模式随天线 显示了一个示例。

  可针对这些谐振频率中的每个频率独立调谐,只需将孔径调谐开关放置在效用最大的位置,它通常是在该频率下电压分布的最高点附近。

  只需沿天线的不同位置放置多个开关,并使用多个调谐组件搭配每个开关,单个手机天线就能够支持非常宽范围的低频段、中频段和高频段(图 8)。

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