天線孔徑調諧對于智能手機至關重要，可保證其在不斷增加的RF 頻段范圍內有效運行并支持向5G 的過渡。智能手機需要更多天線來支持不斷增長的RF 需求，例如新的5G 頻段、MIMO，和載波聚合（CA）等。而由于智能手機工業設計潮流的不斷變化，留給這些天線的空間越來越少；于是，天線也因此變得越來越小，潛在降低了其效率和帶寬。孔徑調諧手段允許天線在多個頻帶上有效地調諧，將Tx 和Rx 性能提高3dB 以上，從而補償這一問題。

孔徑調諧通過與其它調諧組件組合的開關實現；具備低RON 和低COFF 的開關是效率最大化的關鍵。孔徑調諧還允許天線同時在多個頻段上通信以支持CA。實施孔徑調諧需要深入了解如何將該技術用于各種應用。

簡介

天線效率在智能手機的整體RF 性能中起著至關重要的作用。但是，當前的RF 需求（尤其是即將向5G 的過渡）和智能手機工業設計的廣泛趨勢，意味著其必須在更少的空間中安裝更多的天線。因此，天線尺寸不斷縮小，導致了其效率的降低。如不針對此問題進行補償，效率的降低可能會影響Tx 和Rx 性能，從而導致電池壽命縮短、數據速率降低以及連接性問題。

對5G 的支持致使復雜性不斷攀升，再加上工業設計方面的約束，會對天線性能產生負面影響，導致數據速率和電池壽命降低”。

5G 手機需要更多天線以提供更快的數據速率

向5G 的過渡意味著對更高數據速率的不斷追求，并將顯著增加每部手機中的典型天線數量。

提供較高數據速率的兩種主要技術是CA（載波聚合）和多路輸入/多路輸出（MIMO），二者都需要同時工作的多個天線。5G 將進一步推動這一趨勢，因為其要求在大多數頻段上支持四個獨立的下行鏈路信道，需要手機至少包含四個用于無線通信的天線。

同時，很大程度上由于新5G 頻段的引入，手機天線需要涵蓋更廣泛的頻段。5G 手機可能需要支持從較低的600MHz 到高達6GHz 的頻率。

為滿足這些要求并支持Wi-Fi、GPS 和藍牙技術，天線數量將從當前典型LTE 手機中的4 到6 根，增加至5G 智能手機中的6 到10 根。在有限的可用空間內安裝所有這些天線變得越來越困難。

圖1. 隨著向5G 的過渡，天線的數量不斷增加，以支持新的頻段，以及MIMO 和CA 的要求

更小的天線面積

隨著制造商在工業設計上的持續革新和新功能的不斷添加，可容納天線的空間正在縮小，由此加劇了問題的嚴重性。一個關鍵的趨勢是向全屏手機的轉變；在全屏手機中，顯示屏幾乎占據了手機的整個表面，造成屏幕外用于無線通信天線的可用空間越來越少。而制造商仍不斷增加攝像頭，又進一步擠占了手機內部空間。

需要在更少的空間中安裝更多天線意味著天線變得越來越小，天線尺寸的減小則導致天線效率降低。圖2 顯示了在全屏設計中，天線效率如何隨著電話頂部的輻射元件與接地部分（位于屏幕邊緣）之間空間的縮小而降低。

圖2.全屏智能手機設計縮小了可用天線面積，從而降低天線效率。

天線數量增多，尺寸減小，這也意味著手機對因環境變化（例如手持手機的動作）而引起的瞬態效應更加敏感。這些瞬態效應可能包括效率降低和頻率響應變化。

天線性能的“三角”折衷關系

圖3 所示的天線“折衷三角”顯示了天線尺寸減小對效率和帶寬的影響。如果天線尺寸保持恒定，效率可以用來換取更大的帶寬。在具有較大天線的老一代手機中，此種折衷是可以接受的，因為天線在支持更大范圍頻帶的同時仍可滿足性能要求。但隨著天線尺寸的減小，這種折衷已不再可行。采用新的全屏設計，天線只能在狹窄的頻率范圍內達到所需的效率水平。因此，為了支持當前手機設計所涵蓋的廣泛頻率范圍，必須調諧天線以在每個頻率上有效地工作。

圖3. 天線性能的“三角”折衷關系。

孔徑調諧：通過開關進行調諧

目前，孔徑調諧是解決手機因天線面積減小和效率降低所引發問題的主要方法。使智能手機能夠支持不斷擴大的頻段范圍至關重要，特別是在向5G 過渡的情況下。

孔徑調諧會對進行發射和接收通信的天線效率產生重大影響。根據不同的應用，總輻射功率（TRP）和總全向靈敏度（TIS）可提升達3dB 甚至更多。

天線調諧技術的概念如圖4 所示。一個開關連接在天線和接地之間用于調整天線的諧振頻率，以匹配電話當前用于通信的頻率。

在開關和輻射元件之間添加不同的調諧組件（電容或電感）可用于進一步調節諧振頻率，以支持不同的頻段。圖4 顯示了當開關斷開、導通，以及在電路中添加電感或電容時天線的諧振頻率。

在圖4 中，每個組件都連接到一個簡單的開關，以闡述孔徑調諧的概念。然而，在主無線通信天線和其它一些應用中，更復雜的多擲開關可用于連接多個調諧組件并支持更廣泛的頻帶范圍。

圖4. 孔徑調諧

多個頻率范圍的天線調諧

天線具有多個固有諧振頻率，且諧波相關：例如，天線的諧振頻率可以是900MHz、1800MHz（二階諧波）、2700MHz（三階諧波）等等。通過孔徑調諧開關來調諧每個諧振頻率，可使單個天線支持分布在非常寬的頻譜范圍內的多個頻段。

圖5 顯示了這是如何工作的。每個諧振頻率在天線上具有不同的電壓分布。電壓模式因天線類型而異；圖5 顯示了一個示例。

圖5. 天線不同諧振頻率的電壓分布

通過將孔徑調諧開關置于其影響最大的電壓點上，可以獨立地調諧每個諧振頻率，該開關通常接近此頻率的電壓分布的頂點。

通過在天線的不同位置放置多個開關，并對每個開關使用多個調諧組件，單個無線通信天線便可支持非常廣泛的低頻、中頻和高頻頻段（圖6）。

圖6. 通過將調諧開關放置在多個位置，單個天線可以支持各種低、中和高頻頻段。

RON和COFF的重要性

孔徑調諧開關的兩個關鍵特性會顯著影響天線效率：導通狀態電阻（RON）和斷開狀態電容（COFF）。降低RON 可使電感調諧和電容調諧的天線效率提高數個dB（圖7），從而對手機的整體RF 性能產生較大影響；降低COFF 也同樣重要。

圖7. 降低RON 對電感調諧和電容調諧效率的影響。

但是，RON 和COFF 沿天線長度不同位置的影響會有所不同，具體取決于電壓分布。在電壓較低的情況下，低RON 的影響最大；電壓較高時，COFF 的影響最大。策略性地放置具有較低RON 或COFF 的開關，可用于優化針對不同頻率的調諧。

CA 的孔徑調諧

全球LTE 運營商都在利用CA 提供更高的數據速率。CA 組合了兩個或多個LTE 載波（通常在不同頻段中）以增加帶寬。由于手機中天線的總數有限，這通常意味著單個天線必須在兩個頻段上同時通信。

精心放置的孔徑調諧開關可以滿足這一要求。如前所述，將調諧開關置于諧振頻率的峰值電壓附近對該頻率具有最大的調諧效果。相反，將調諧器置于諧振頻率的零電壓處則幾乎沒有調諧效果。在靠近第一個諧振頻率的峰值電壓處放置一個開關使其同時位于第二個諧振頻率零電壓點，便可在不影響第二個頻率的情況下調諧第一個頻率。

圖8 顯示了用于支持中國常用的頻段39 和頻段41 組合的孔徑調諧技術。在每個頻段的峰值電壓附近放置一個開關，可以在對另一個頻段影響最小的情況下對每個頻段實現高效調諧。

圖8. 針對CA 的孔徑調諧；在每個諧振頻率的電壓峰值附近放置一個開關，允許在對另一個頻段影響最小的情況下對每個頻段進行高效調諧。

結論

孔徑調諧是助力當今智能手機支持不斷增長的頻段范圍的關鍵。它顯著提高了Tx 和Rx 性能，克服了手機工業設計演進帶來的挑戰，使其能夠滿足日益復雜的RF 需求。有效實施孔徑調諧需要大量相關專業知識，用以優化各種應用。天線數量的增加也意味著孔徑調諧解決方案必須很小才能適應不斷縮小的可用空間。

Qorvo 是孔徑調諧領域公認的市場領導者，在幫助領先廠商采用孔徑調諧技術實現其目標方面擁有豐富經驗。Qorvo 廣泛的高度緊湊型解決方案產品組合提供了超低COFF 和低RON 的組合，以打造最佳性能。

關于作者

Abhinay Kuchikulla 擔任Qorvo 高級營銷經理，負責天線調諧器的產品策略與方向；深厚的技術背景使他能夠為Qorvo 帶來強大支持，理解并有效解決客戶問題。他致力于新產品定義并管理其開發，及時將最佳解決方案推向市場，并滿足客戶未來的RF要求。2016 年，其因在Qorvo 調諧器開發業務領域的杰出成就而被授予年度營銷人物獎。Abhinay Kuchikulla 于2004 年從堪薩斯大學電氣工程專業獲得碩士學位，并在2013 年獲得工程管理專業的碩士學位。