【導(dǎo)讀】過去十年,天線調(diào)諧技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了巨大變化。天線變得更小、性能更強(qiáng),能處理更多的射頻信號。這些發(fā)展的核心是絕緣硅片 (SOI) 技術(shù)——它提供的調(diào)諧能力提高了設(shè)計(jì)靈活性,并大幅改善了性能。
復(fù)雜射頻世界中的器件性能
有時候,科技似乎在飛速發(fā)展,日新月異——產(chǎn)品變得越來越小,處理速度越來越快,我們的世界剎那間便不同以往。移動設(shè)備的天線也是如此。支持許多頻段的更小移動設(shè)備使得天線更加復(fù)雜。對于工程師而言,這種復(fù)雜性也是需要攻克的障礙。與此同時,技術(shù)開發(fā)工程師每推出一代新技術(shù),都會做出漸進(jìn)式改進(jìn),通過這種持續(xù)改善來幫助滿足更嚴(yán)格的系統(tǒng)要求。這篇博客文章介紹絕緣硅片 (SOI) 技術(shù)的進(jìn)步如何讓我們的器件在復(fù)雜的射頻世界中性能更佳。
多年來,移動設(shè)備支持的頻段增長了十倍。在過去二十年左右的時間里,我們的移動設(shè)備支持 Wi-Fi、Bluetooth?、GPS 頻段,當(dāng)然還有蜂窩頻段。值得注意的是,自 5G 引入以來,蜂窩和 Wi-Fi 頻段開始涵蓋更高的頻率區(qū)域——3 GHz 以上,包括 5-7 GHz。如今,我們看到超寬帶和毫米波也納入其中。最新的移動設(shè)備具備支持所有這些頻段的天線,這使得設(shè)計(jì)工程師在優(yōu)化天線效率、功率和工作范圍方面面臨挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),必須使用更新的 SOI 技術(shù)。
蜂窩頻段簡介
影響天線設(shè)計(jì)的一個方面是蜂窩頻譜重新分配和獲取 (re-farming and acquisitioning)。新頻段已在整個蜂窩頻譜中可用,有助于拓寬整體帶寬,并帶來提升容量和數(shù)據(jù)速度的額外優(yōu)勢。讓我們仔細(xì)看看這些低、中、高蜂窩頻段:
● 低頻段 – 600 MHz 至 960 MHz容量有限,但覆蓋面積大,具有室內(nèi)穿透性
● 中頻段 – 1.71 GHz 至 2.17 GHz容量較高,對城市地區(qū)有利
● 高頻段 – 2.3 GHz 至 2.69 GHz覆蓋范圍或工作范圍有限,但具有非常高的潛在容量
深入了解中高頻段蜂窩天線
如圖 1 所示,這種天線結(jié)構(gòu)支持低、中、高蜂窩頻段。我們使用下面的天線 PC 板布局,對兩代 SOI 技術(shù)(上一代和當(dāng)前一代)進(jìn)行了比較。在此應(yīng)用中,我們使用三個天線調(diào)諧器:U2、U3 和 U4,以幫助針對覆蓋范圍和工作范圍調(diào)整低、中、高頻段。圖 1 還顯示了一個 4 極天線調(diào)諧器的示例框圖,其類似于此應(yīng)用中使用的調(diào)諧器。
圖1:低、中、高頻段天線結(jié)構(gòu)
這種結(jié)構(gòu)使用三個天線調(diào)諧器,支持以下頻段:
● U2 支持中頻段和高頻段調(diào)諧
● U3 支持低頻段調(diào)諧
● U4 支持低-中-高頻段調(diào)諧
開關(guān) RON 和 COFF 回顧
孔徑調(diào)諧主要采用調(diào)諧器開關(guān)和可調(diào)諧電容。這些開關(guān)的主要品質(zhì)因數(shù)是導(dǎo)通狀態(tài)電阻 (RON) 和斷開狀態(tài)電容 (COFF),如下圖所示。對于可調(diào)諧電容來說,具有寬范圍的調(diào)諧電容和良好的 Q 因數(shù)(品質(zhì)因數(shù))至關(guān)重要。RON 和 COFF 會顯著影響天線效率。低電壓時,RON 的影響更大;高電壓時,COFF 的影響更大;采用低 RON 或低 COFF 的開關(guān)布局策略可針對不同頻率優(yōu)化調(diào)諧。(另見移動 5G 設(shè)備天線調(diào)諧揭秘博客文章)
在斷開狀態(tài),孔徑調(diào)諧器的 COFF 會影響天線上的容性負(fù)載,從而降低諧振頻率。調(diào)諧器的 COFF 越高,該頻率偏離天線固有諧振頻率的幅度就越大。
SOI 技術(shù)對比數(shù)據(jù)
為了減少 PC 板布局的代際變化,新的 SOI 天線調(diào)諧器保持引腳兼容。這有助于降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的工程成本。
關(guān)于 SOI 技術(shù)改進(jìn),當(dāng)前一代調(diào)諧器改善了衡量開關(guān)導(dǎo)通電阻的指標(biāo) RON。衡量開關(guān)關(guān)斷狀態(tài)電容的 COFF 也有所改善。這兩個品質(zhì)因數(shù)都是決定表 1 所示天線整體效率的因素。此外,當(dāng)前一代調(diào)諧器改進(jìn)了低、中、高每個頻段的所有目標(biāo)規(guī)格。
低、中、高頻段測量對比數(shù)據(jù)
從表 1 可以看出,在低頻段和高頻段,上一代調(diào)諧器很難滿足效率目標(biāo)。這部分是由于 SOI COFF 寄生電容會產(chǎn)生損耗。使用當(dāng)前一代 SOI 調(diào)諧器可降低 COFF 電容。通過每個天線調(diào)諧器開關(guān)分支的信號泄漏隨之減少。此外,當(dāng)前一代調(diào)諧器的 RON 略有降低。這一改進(jìn)導(dǎo)致開關(guān)路徑接通時的開關(guān)電阻更小。RON 和 COFF 的這些改進(jìn)有助于開關(guān)隔離,減少信號損耗,并提高效率。
每代 SOI 技術(shù)的天線均需進(jìn)行調(diào)諧以優(yōu)化性能。請注意,天線調(diào)諧產(chǎn)品之間的 COFF 差異會導(dǎo)致天線響應(yīng)的頻移,這在調(diào)諧每個頻段時應(yīng)予以考慮。由于這種頻移,需要對匹配電感值進(jìn)行調(diào)整,使天線諧振與期望的頻段相符。
下表 1 顯示了上一代與當(dāng)前一代的整體系統(tǒng)性能對比。在低、中、高各個頻段,當(dāng)前一代的系統(tǒng)天線性能都有相當(dāng)可觀的提高。這進(jìn)一步體現(xiàn)了 SOI 技術(shù)品質(zhì)因數(shù)提高的原因。
表 1:兩代 SOI/產(chǎn)品的對比數(shù)據(jù)
新技術(shù)開發(fā)的一個共同主題就是每一代更新都會改進(jìn)以前的設(shè)計(jì)。SOI 技術(shù)也是如此。每一代改進(jìn)都將應(yīng)用于新技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)品中。SOI 已經(jīng)存在了一段時間,并且有許多技術(shù)改進(jìn)。是否在設(shè)備設(shè)計(jì)中使用最新的尖端技術(shù),可能是產(chǎn)品成功與否的關(guān)鍵。使用當(dāng)前一代 SOI 將能提供所需的天線效率,滿足最終產(chǎn)品的工作范圍、數(shù)據(jù)速度和容量要求。有關(guān)所述應(yīng)用的詳細(xì)信息,請隨時通過技術(shù)支持聯(lián)系我們。
移動 5G 設(shè)備天線調(diào)諧揭秘
https://www.qorvo.com/design-hub/blog/mobile-5g-device-antenna-tuning-demystified
技術(shù)支持
https://www.qorvo.com/support/technical-support
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