5G移动设备天线调谐解密

全球调研机构Gartner报告，指出2020年全球终端出货量有望止跌反弹，在5G手机需求带动下，今年全球智能手机市场有望成长3%，而随着iPhone12 5G的到来，5G手机销量更有望在一年内超越4G手机销量。

5G手机牵涉到整个产业链的技术升级，它和4G手机的区别在什么地方，哪些技术又会在5G手机的普及当中起到关键作用，其中之一就是天线。5G手机与4G手机一个明显的区别是射频组件的大幅增加，作为信号传输的“公路”，手机天线也被视为5G手机升级的“先行”要素。

5G显著增加了移动天线必须支持的新频段。5G手机设计越来越复杂，手机设计师比以往任何时候都需要在单个天线上使用更多的孔径调谐器。虽然每增加一个孔径调谐器都有助于优化每个波段的整体天线性能，但有时会以天线效率为代价。如果天线的效率和每个波段的性能得不到适当的平衡，就将影响整个器件的性能和范围。

首先讲一下为何需要天线调谐？

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。

每个天线都有一个频率，在这个频率下它会自然共振——在这个频率下我们可看到天线的最大效率。孔径调谐是通过在天线上放置一个并联电容器(以降低谐振频率)或并联电感器(以提高谐振频率)来完成的。多个电容和电感通过使用天线调谐器开关帮助调整天线到多个频率。

什么是RON 、COFF

孔径调谐开关的两个关键特性会显著影响天线的效率：导通状态电阻（RON）和断开状态电容（COFF）。孔径开关在断开状态（COFF）下是容性开关，在导通状态（RON）下则为阻性开关。如果电感连接到RF端口进行调谐，那么COFF和电感的组合将会产生不必要的谐振。换句话说，当开关处于关断状态时，必然存在谐振机制。为了抑制这种谐振，调谐器开关配有一个内部开关，可以并联到地面。

对于可调谐电容器，具有较宽的调谐电容范围和良好的Q因数(质量因数)至关重要。当电压较低时，RON的冲击最大;电压高时，COFF的冲击最大。低RON或低COFF开关的战略布局优化了不同频率的调谐。

在OFF状态下，孔径调谐器的COFF对天线的电容性负载起作用，降低谐振频率。调谐器的COFF越高，频率偏离天线的自然共振就越多。

下图演示了单极双掷(SPDT)开关的COFF对反F天线(IFA)模拟效率的影响。所示的基线测量是在没有将SPDT放置在调优位置时进行的。每个端口的COFF被设置为100 fF和200 fF。

COFF天线调谐

当从基线天线移动到低COFF开关时，频率偏移为40mhz，峰值效率下降0.3 dB。当从低100fF COFF切换到高200fF COFF开关时，频率偏移为40 MHz，峰值效率下降0.85 dB。总的来说，80兆赫的频移和总效率从基线下降了1.15 dB。

为了抵消由调谐器COFF引起的频率偏移，单刀双掷(SPDT)开关的一个端口可以用来在电感器中切换以重新调整天线回到它的自然共振频率。在这种情况下，天线被调谐两次-一次由调谐器的COFF和第二次由电感用于重新校准天线到它的原始共振。然而，这种方法是以牺牲效率和带宽为代价的，如图3所示，它显示了当天线重新调谐到原来的890mhz谐振时的效率。

为了方便移动电话在天线上的频带交换，孔径调整是必要的。

移动设备变得越来越复杂。这就给天线及其满足用户所有需求的能力带来了压力。但并不是所有的天线调谐元件都能满足这些精密设备系统的需要。使用不充足的high COFF调谐器会导致显著的频率偏移，从而降低天线的整体效率。因此，在试图平衡天线效率和频带需求时，低COFF开关是最好的。