天線效率在智能手機的整體 RF 性能中發揮著至關重要的作用 - 尤其是向 5G 過渡期間。了解 4G 和 5G 移動設備中天線調諧的四個關鍵要素。

天線效率在智能手機的整體 RF 性能中發揮著至關重要的作用。然而，當前的智能手機工業設計趨勢和 RF 需求（尤其是即將過渡至 5G），意味著智能手機必須要將更多的天線安裝到更小的空間內，并且/或者提高現有天線的帶寬。

簡言之，天線調諧比以往更加重要。在本博客中，我們將介紹 4G 和 5G 移動設備中天線調諧的四個關鍵要素。

背景：為何需要天線調諧

由于手機運行所需的頻段、功能和模式的數量不斷增加，現代手機的 RF 前端 (RFFE) 設計也日益復雜。需要采用更多天線，使用載波聚合 (CA)、4x4 MIMO、Wi-Fi MIMO 和新的寬帶 5G 頻段來提供更高的數據速率，因此智能手機中的天線數量從 4-6 個增加到 8 個或更多。與此同時，可用于移動系統天線的空間縮小，導致天線效率降低。

通過天線調諧可以恢復一些損失性能。若不實施調諧，天線在有限的頻率范圍內可以實現出色性能，但是增加天線調諧則可以在更廣泛的頻率范圍內實現更優化的性能。

天線調諧系統，例如阻抗調諧器和孔徑調諧器，可以支持 LTE 智能手機要求的更高帶寬和載波聚合。它們使天線在整個 LTE 和 5G 頻段（從 600Mhz 到 5Ghz）范圍內都能高效工作，同時還能節省電池電量，實現纖薄的手機設計。

但是，實現天線調諧需要深入了解如何針對每個應用運用該技術。我們來看看這四個基本要素：

阻抗與孔徑調諧

為您的調諧應用選擇合適的組件

導通狀態電阻 (RON)、斷開狀態電容 (COFF)，以及消除不必要的諧振

孔徑調諧和 CA

術語表

Ca：載波聚合

COFF：斷開狀態電容

GND：接地

MIMO：多路輸入/多路輸出

PIFA：平面倒 F 型天線

RFFE：RF 前端

RON：導通狀態電阻

RSE：輻射雜散發射

SP4T：單刀四擲

TIS：總全向靈敏度

TRP：總輻射功率

天線的輻射模式和效率取決于天線的尺寸、形狀、外殼、與金屬的接觸程度，以及接地層的形狀和大小。未調諧天線的效率低于經過調諧的天線；相比之下，調諧天線的效率越高，意味著它具有更高的輻射功率和更大的范圍。

智能手機可以使用兩種方法進行天線調諧 - 阻抗調諧和孔徑調諧 - 如下圖所示。

孔徑調諧從天線終端的空閑空間中優化天線總效率，可以跨多個頻段優化天線效率。孔徑調諧對發射和接收通信應用的天線效率都會產生很大影響，根據不同的應用，總輻射功率 (TRP) 和總全向靈敏度 (TIS) 可提高 3 dB 甚至更多。

阻抗調諧最大限度地提高射頻前端與天線之間的功率傳輸，并通過最小化天線與天線前端之間的失配損耗來增加 TRP 和 TIS。阻抗調諧還有助于補償環境影響，如一個人的手在智能手機上的位置。

目前，為了克服因天線面積和效率降低所導致的問題，手機中主要采用孔徑調諧法。中高檔智能手機使用孔徑和阻抗調諧組合方法，以支持不斷擴大的頻段范圍，尤其是 5G 應用。

在開關和輻射元件之間添加調諧組件（電容或電感），可進一步調節諧振頻率，以支持 LTE 和 5G 頻段。下圖顯示了開關斷開、導通時以及在電路中添加電感或電容時天線的諧振頻率。

選擇性能最佳的孔徑調諧開關、電容和電感非常重要。一些準則包括：

調諧器開關：

使用具有低 RON 和 COFF 的開關來最小化系統損耗。

使用高線性調諧開關，避免對輻射雜散發射 (RSE) 和 TIS 產生影響。

開關必須是多模式的，以調整 2G/3G/4G/5G 標準頻率范圍。

開關應該能夠處理寬帶天線應用的高射頻電壓。

調諧組件：

使用電容值大于 0.5 pF 的電容，以避免使用高容差元件。

避免使用電感值大于 36 nH 的電感。

孔徑調諧開關的兩個關鍵特性會顯著影響天線的效率：導通狀態電阻 (RON) 和斷開狀態電容 (COFF)。孔徑開關在斷開狀態 (COFF) 下是容性開關，在導通狀態 (RON) 下則為阻性開關。如果電感連接到 RF 端口進行調諧，那么 COFF 和電感的組合將會產生不必要的諧振。換句話說，當開關處于關斷狀態時，必然存在諧振機制。為了抑制這種諧振，調諧器開關配有一個內部開關，可以并聯到地面。

下圖顯示，在天線和調諧組件之間連接一個 SP4T 調諧器開關，以便將天線調諧到不同的頻段。天線通過 RF3 端口連接至一個調諧電容，而其他三個端口為斷開狀態。用 RON 代替天線與 RF3 端口之間的 ON 狀態電阻，用 COFF 仿真天線和 RF1、RF2 和 RF4 端口之間的 OFF 狀態電容。這種接地路徑功能有助于消除由關斷開關端口產生的電容引起的諧振。下圖中，右下角的黑色線表示存在諧振，橙色線表示不存在諧振。

降低 RON 可使電感調諧和電容調諧的天線效率提高幾個 dB，從而對手機的整體 RF 性能產生較大的影響。降低 COFF 也同樣重要。但是，根據天線調諧器的位置和電壓分布，RON 和 COFF 影響存在差異。

CA 將兩個或多個 LTE 載波（通常在不同的頻段中）組合起來，以增加帶寬，實現更高數據速率。由于手機中的天線數量有限，這通常意味著單個天線必須在兩個頻段上同時通信。

使用孔徑調諧開關有助于滿足智能手機對 CA 的要求：

孔徑調諧用于支持頻段 39 和頻段 41 的 CA 組合（通常用于中國）。

在每個頻率的峰值電壓點附近放置一個開關，可以對每個頻段進行高效調諧，而且對另一個頻段的影響最小。

將調諧開關放置在諧振頻率的峰值電壓點附近，對該頻率的調諧效果最好。

不進行適當的天線調諧，無法實現 5G。