RF手机天线仿真介绍(二):孔径调谐和阻抗调谐

目录

    • 简介
    • 孔径调谐
    • 阻抗调谐
    • 孔径调谐组件选择分析

简介

由于手机运行所需的频段、功能和模式的数量不断增加,现代手机的 RF 前端 (RFFE) 设计也日益复杂。需要采用更多天线,使用载波聚合 (CA)、4x4 MIMO、Wi-Fi MIMO 和新的宽带 5G 频段来提供更高的数据速率,因此智能手机中的天线数量从 4-6 个增加到 8 个或更多。
与此同时,可用于移动系统天线的空间缩小,导致天线效率降低。通过天线调谐可以恢复一些损失性能。若不实施调谐,天线在有限的频率范围内可以实现出色性能,但是增加天线调谐则可以在更广泛的频率范围内实现更优化的性能。
天线调谐系统,例如阻抗调谐器和孔径调谐器,可以支持 LTE 智能手机要求的更高带宽和载波聚合。它们使天线在整个 LTE 和 5G 频段(从 600 Mhz 到 5 Ghz)范围内都能高效工作,同时还能节省电池电量,实现纤薄的手机设计。

孔径调谐

孔径调谐能调节天线的电长度,可将其谐振点切换到所需支持的工作频段。一个典型的孔径调谐的示意图如下所示:
RF手机天线仿真介绍(二):孔径调谐和阻抗调谐_第1张图片
对应的仿真模型如下所示,其中红色部分为调谐电容:
RF手机天线仿真介绍(二):孔径调谐和阻抗调谐_第2张图片
调谐电容对天线回波损耗的影响如下所示:
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调谐电容对天线的效率影响如下所示:
RF手机天线仿真介绍(二):孔径调谐和阻抗调谐_第4张图片

阻抗调谐

阻抗调谐将天线的阻抗与射频前端的阻抗匹配,从而优化传送到天线的功率。一个典型的阻抗调谐示意图如下所示:
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对应的仿真模型如下所示,其中红色部分为电容,蓝色部分为电感:
RF手机天线仿真介绍(二):孔径调谐和阻抗调谐_第6张图片
阻抗调谐,电容电感对回波损耗的影响示意图如下所示:
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阻抗调谐,电容电感对天线效率的影响示意图如下所示:
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孔径调谐较为简单,可以对单一频带进行调谐,阻抗调谐较为复杂,需要较为复杂的阻抗匹配网络,但是可以扩展天线的工作带宽。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。中高档智能手机使用孔径和阻抗调谐组合方法,以支持不断扩大的频段范围,尤其是5G应用。

孔径调谐组件选择分析

在开关和辐射元件之间添加调谐组件(电容或电感),可进一步调节谐振频率,以支持 LTE 和 5G 频段。下图显示了开关断开、导通时以及在电路中添加电感或电容时天线的谐振频率。一个典型的多调谐组件的示意图如下所示:
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各种调谐组件对天线回波损耗的影响如下所示:
RF手机天线仿真介绍(二):孔径调谐和阻抗调谐_第10张图片
各种调谐组件对天线效率的影响如下所示:

RF手机天线仿真介绍(二):孔径调谐和阻抗调谐_第11张图片
如上所示,调谐电容可以使得天线的谐振频率向低频方向偏移,调谐电感可以使得天线的谐振频率向高频方向偏移。

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