使用可变电容改善智能手机的天线效率

日期:2017-03-05
 
作者:Victor Chan现场应用工程师安森美半导体
摘要
在现今的智能手机,不难发现它们都在使用超薄边框设计来提高荧幕的占比,而且使用金属后壳甚至一体式金属机身设计,减小智能手机的厚度,并增加内置电池容量来保持智能手机的续航力,这些设计都会导致用于手机天线的空间变得有限,而且从GSM模式的四频到支持国际漫游以及全球通用手机的700 MHz频段 (LTE B12/13/17/28) 和高频2.7 GHz的B7,甚至在不同场景如人头手对天线性能的影响等因素,都会大大增加对天线的调试难度,在不使用天线可调方案,确实不太可能满足众多运营商的OTA (Over-the-Air)要求。本文将会介绍在通路匹配 (Matching) 上使用可变电容的挑战,安森美 (ON Semi) 可变电容 (Passive Tunable Integrated Circuits,PTIC) 的优点,设计流程,和改善智能手机天线效率的真实案例。
 
介绍
在智能手机的设计中,天线是不可或缺的一部分,主要用于将调制的载波或信号通过天线以无线方法传送到其他的地方,而传送距离会按发射功率,接收灵敏度,天线的位置和其效率等因素来决定,因此天线的效率对手机的接收性能,特别在弱讯号的环境情况和手机的续航力有不可分割的关系。实际上,天线的谐振频率跟其物理长度是有关系的,即谐振频率是波长的4分之1及其倍数,由于手机的工作频段增加,而且用于天线的空间及周边环境变差,因此手机天线的带宽并不能覆盖所有的工作频段,在某些频段天线阻抗的驻波 (VSWR) 较差时,导致有一部分的信号会反射到源点,不能从天线发射出去,造成失配损耗 (Mismatch Loss,MML),驻波越大失配损耗也越大,令天线的效率变差。
 


VSWR Return LossRL/dB Mismatch LossMML/dB
2 9.54 0.51
4 4.44 1.94
6 2.92 3.10
8 2.18 4.03
10 1.74 4.81
12 1.45 5.47
14 1.24 6.04
18 0.97 7.00
20 0.87 7.41
 
 
1驻波 (VSWR) 跟回波损耗(RL)与失配损耗(MML)的关系
 
在通路匹配上可调匹配 (Tuner) 在设计上的挑战
某些频段,天线的带宽并不能通过天线结构和形状来增加,只能通过加入可变电容的匹配电路来改善该频段的驻波,减低失配损耗和改善天线效率。在通路上使用哪一类型的可变电容主要是需要考虑到其插损值 (Insertion Loss,IL),因为如果可变电容的插损值过大,就可能不能发挥可变电容在匹配上使用的好处,原因是在使用可调匹配后将失配损耗补偿过来的增益不能完全抵消整个可调匹配的插损,在使用开关型可变电容在通路匹配上就会出现这个问题,原因是开关型可变电容的Q值较低,插损值较大。安森美可变电容 (PTIC)是基于掺杂的介电材料钛酸锶钡 (Barium Strontium Titanate,BST 或商标名称ParaScan™) 所制成,钛酸锶钡这种介电材料可通过电容两边的压差来改变其介电常数,从而改变其电容值并且是连续的,安森美可变电容的优点是在于高Q值 (80 @ 1 GHz,50 @ 2.5 GHz) 和低插损,因此适用于在通路匹配上串联和并联使用。
 
在通路匹配上使用安森美可变电容的设计流程
在市场上,一些天线工程师有时缺乏射频基础理论,只是在有限的空间及环境下盲目地调试天线的形状,往往不能在短时间内调出理想的效果,特别是在多载波 (Carrier Aggregation,CA) 的使用情况下,要同时兼愿主载波 (Primary Component Carrier,PCC) 和副载波(Secondary Component Carrier,SCC) 在两个不相连的频段调试时就更为困难,因此安森美半导体有限公司能够提供整套可调匹配的设计流程,使天线工程师能在短时间内了解使用可调匹配后对天线效率的改善程度,从而针对某些效果不理想的频段作天线结构和可调匹配的优化,达到服务供应商的严格测试要求。
 

 
2可调匹配的设计及测试流程
 
可调匹配的设计流程如下
1.    以安森美半导体的可变电容以L型或PI型匹配在PCB上布局
2.    找出测量天线阻抗的参考面,一般以在可调匹配的输出端最后一个器件焊盘定立为测量天线阻抗的参考面
3.    用网分在天线参考面的焊点测量天线的阻抗S1P文档
4.    以在可调匹配的输入端第一个器件焊盘定立为Load-Pull的参考面,用Load-Pull 调谐器找出最佳的Load-Pull参数
5.    在ADS使用不同的匹配拓扑结构做可调匹配仿真
6.    对比不同的匹配拓扑结构在ADS的仿真结果,找出最优的匹配拓扑结构及其物料清单 (BOM)
7.    按照仿真得出的可调匹配的物料清单,将器件贴到PCB上
8.    以手动或自动化软件调试可变电容的供电电压,找出最优的配置电压
9.    以项8的最优电压配置,在暗室中测量TRP及TIS
10.  ON Semi 自主开发的ADS 仿真模拟工具包含PCB Layout,固定电感和可变电容仿真模型,能够仿真模拟自由空间,头/手等使用场景,以及CA 情形。
很多天线工程师都有使用软件做仿真的经验,认为仿真的结果跟实际测试结果有差异,原因在于项2的天线阻抗S1P测量参考面不正确,导致测量的S参数不准确,而正确测量天线阻抗对仿真准确度是非常重要的,有关天线阻抗S1P测量方法,安森美有相关的技术文档。另外,在调试过程中,可能会有2组的配置电压能将驻波或回波损耗 (Return Loss) 调得很好,失配损耗很小,但这并不代表这2组匹配的插损都是一样,但通过软件做仿真就能找出哪一1组匹配的插损是最小的。
 
使用安森美可变电容在通路匹配的仿真及实测案例
图3为使用安森美可变电容在通路匹配的仿真及实测天线效率数据,曲线1为在不带任何匹配的情况下,实测的天线效率 (Antenna Efficiency),同时可在网分测量天线的阻抗,从S1P文档计算出天线的失配损耗 (MML),将实测的天线效率加上计算出天线的失配损耗就相等于最佳的天线辐射效率 (Radiation Efficiency),即曲线2。曲线3为在ADS仿真后得出的天线效率,仿真的天线效率比曲线2天线辐射效率差,原因是可调匹配有损耗(包括匹配电路的耗散损耗及匹配后还存在一些失配损耗)。其他的曲线为通过仿真得出的配置电压值,在带可调匹配的实测天线效率,基本上实测试数据跟仿真数据能对上,差异很小。
 

 
3仿真及实测的天线效率数据
 
 
安森美可变电容(PTIC)的其他优点
安森美可变电容(PTIC)除了早前提到的高Q值及低插损外,其他优点还有
·         5:1的电容可调范围 (1V – 24V),需要配合安森美的HVDAC控制IC (TCC-202/303/226)使用
·         很好的线性度
·         可调电容值是连续的
·         封装尺寸小和低成本
·         多种电容值可供选择: 1.2,1.8,2.7,3.3,3.9,4.7,5.6,6.8,8.2pF
 

(a)

(b)
 

4(a) GEN5 PTICBump Side (b) 安森美HVDAC控制ICTCC-303Bump Side
 
结论
安森美的天线可调方案能够通过减少天线的失配损耗带来极大地提高天线效率,与其它可变电容技术相比, 安森美的可变电容( PTIC) 具有无论是在并联还是串联时使用,从700MHz到2700MHz,其 Q 值都很好,与高Q值的绕线电感配合使用后,整个可调匹配的插损值很小,是用于通路上可调匹配的最佳选择。另外,安森美的天线可调方案还具有低成本和小尺寸的优点,其连续的电容值改变跟使用开关来切不同的电容值相比,更适用于在通话中使用安森美的闭环自动调谐方案来解决不同场景对天线效率的影响。最后,安森美拥有资深的技术团队能提供快速及全方位的技术支持,有效地解决客顾在天线性能上遇到的难题。安森美的天线可调方案已经成功地使用在众多手机上,如华为(P8,P9,Mate8 等),联想 (Vibe X3,K5 Note,Vibe Shot,Lemon 3,Phab2 Pro等),小米,中兴,摩托罗拉和黑莓等。
 
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