天线调谐方案如何优化PIFA天线

全球LTE智能手机的出货量、网络配置以及频谱分配如今迅猛增长，而3GPP电信标准组织也已为LTE标准分配超过40个频段。随着用户数和通信量 的负荷持续加重，诸如AT&T(美)和Verizon(美)的主要电信商开始采用LTE-Advanced 载波聚合(Carrier Aggregation)技术以提升网络的速度和容量。3GPP现今已确定愈60种频带组合，其中包括频带内和频带间聚合。

正因如此，智能手机需要优化技术以适应持续增加的频谱分配方案和载波聚合的可能性。对手机内的LTE射频而言，这意味着射频必须能够“调”这些频带当中的任何一个，而这进一步要求该天线需要在所有频带上保持高效率表现。

但是说得容易做得难，天线效率的设计远远难过设定要求。在手机生产史的早期，天线是信号射频系统设计师最后考虑的问题。早期手机体积大，数据率低，加 上全球只有4个频带。这些因素确保早期手机的高信号性能表现不成问题。而快进到2015年，随着而大屏幕和大电池则成为主流，手机已经演进为精密的智能手 机。原设备制造商逐渐采用多种天线调谐技术以确保LTE在多频带上的信号表现。

图1：手机的演进及相应的天线效率

LTE射频最关键的是射频前端(RFFE)，包括天线及模拟数据处理。RFFE中的功率放大器，滤波器以及电源转化器经设计能够在50欧—天线馈端(天线和RFFE连接处)的目标阻抗—以最高效率运作。

天线馈端的天线阻抗取决于天线的类型。而移动设备生产中应用最广泛的是双波段PIFA天线。在谐振频率中，天线的馈电点阻抗为纯电阻(PIFA天线大 约90Ω ，偶极子天线约72Ω ，而单极子天线约36 Ω) 。为了最大限度地提高辐射效率，利用简单的固定匹配电路能将天线的阻抗匹配为50 Ω，借此提高输入天线功率的辐射。

图2：LTE射频辐射前端(RFFE 或Radio Frequency Front End) 结构图

业界如今有两种截然不同的天线调谐方法：

可调式阻抗匹配调谐Tunable Impedance Matching (TIM)

天线孔径调谐Antenna Aperture Tuning (AAT)

利用可调阻抗匹配的方法要求在天线和接收机/发射机之间植入可变匹配网络。随着频率转变，天线的阻抗随之改变，天线的阻抗需要调节回RFFE要求的50Ω 。这就需要一个闭环系统监测入射和反射功率或测量天线阻抗的实部和虚部。基于这些测量，匹配网络的调谐元件会被调整，继而形成新的天线馈电点阻抗以优化功 率传递。

至于天线孔径调谐技术，一个高Q值可变电容被放置在辐射元件的一个适当的位置。随着频率的变化的可变电容的负载会被动态调整，使得天线谐振频率与工作 频率相匹配。匹配谐振频率与工作频率有利于使天线的馈电点阻抗在整个工作范围保持相对稳定，同时一个简单的固定网络将该阻抗匹配到的馈电点目标阻抗50Ω，从而确保了调谐天线和RFFE之间最优化的功率传输。

为了更好地理解的一个典型的PIFA天线的实现方法，作者将描绘其阻抗的实部和虚部，以及解释它们是如何随着频率变化而改变。

图3：PIFA在不同频率中的阻抗表现

图3显示的PIFA天线频率被调节到920Mhz(频带B8)，此时电抗尽可能接近0Ω而电容尽可能大，约90Ω。高电阻和低电感抗的组合直接导致良 好的辐射效率—天线调谐的最优状态 。然而，如果 图3中的PIFA天线在860MHz(频带B5)运作，可以发现电抗显着增大至将近60Ω 。这天线组件的电感效应囤积而不辐射能量，从而降低了天线的运作效率。此外，该天线在频带B5运作时严重不匹配，降低了从馈线至低效率天线的功率传递。

下文解释两种天线调谐方案是如何优化PIFA天线的表现的:

天线孔径调谐方案作用于改变可变电容的负载，将天线的谐振频率与的工作频率相匹配。谐振频率的调整最大限度地降低天线的阻抗( 接近0Ω)，并最大化其电阻( 接近90Ω) 。这使天线能在频谱任何一处保持最佳表现，如图3中虚线曲线所示。此外，具有小于0.3dB插入损耗的超低损耗射频微电机系统(RF MEMS) 可变电容器现可用于天线孔径调谐技术，进一步极尽利用天线的辐射，最小化功率损耗(被囤积在RFFE内)。

可调阻抗匹配方案则测量天线的阻抗并调节馈线以匹配相应阻抗，介此优化从50ΩRFFE到天线呈现的可变负载的功率转化。然而，阻抗匹配并不能避免天线的电抗特性，这特性使得天线囤积储辐射而不能充分利用它。此外，可变阻抗匹配网络 中最常使用的基于SOI或BST的元件会导致欧姆损耗并产生巨大的(>1dB)插入损耗，这进一步限制可调阻抗匹配的功率传输优化。

这篇文章分析了如今最常见的两种“天线调谐”技术。由此发现，孔径调谐技术相比下展现了双重优势：维持天线的谐振能力的同时同步防止馈电点不匹配。这性能可靠，高表现，以及低损耗的射频微机电“调谐器”为射频工程师和天线设计师提供高效天线和低成本RFFE，以制造一流的智能手机射频设备。

审核编辑：汤梓红