阻抗匹配與 RF 電壓

移動(dòng)手機(jī)天線設(shè)計(jì)人員面臨著許多挑戰(zhàn)：不斷增加頻段覆蓋范圍的要求，極具挑戰(zhàn)的行業(yè)設(shè)計(jì)限制以及不斷縮小的天線安裝空間。

設(shè)計(jì)人員通過使用孔徑和阻抗調(diào)諧器可以解決這些問題。然而，并不是任何孔徑或阻抗調(diào)諧器都可以使用。

當(dāng)今的許多應(yīng)用都需要使用更穩(wěn)定、可靠的調(diào)諧產(chǎn)品，才能完全滿足設(shè)計(jì)需求。

01阻抗匹配與RF電壓

設(shè)計(jì)人員經(jīng)常要克服的一個(gè)挑戰(zhàn)就是天線上的射頻能源。例如，與天線匹配的阻抗可能會(huì)在匹配網(wǎng)絡(luò)中生成較高的射頻電壓。

當(dāng)匹配電容或電感較高的阻抗時(shí)，匹配網(wǎng)絡(luò)與天線之間可能會(huì)出現(xiàn)較大的差分電壓。當(dāng)使用額定電壓更低的器件時(shí)，可能會(huì)降低系統(tǒng)性能。

為消除這種性能下降問題，需要使用額定電壓較高的阻抗匹配器件。為承受更高的射頻電壓，必須使用這些類型的阻抗匹配器件。圖 1 展示了在較高(GSM850/900)功率水平下發(fā)射信號(hào)時(shí)，射頻電壓有多高。

Figure 1

02天線阻抗詳述

應(yīng)用和天線設(shè)計(jì)等多方面因素都會(huì)影響天線的電壓電平。其中包括以下三個(gè)因素：

1、匹配器件的天線阻抗可能會(huì)導(dǎo)致較高的電壓

2、應(yīng)用中的輸入功率水平（即2級(jí)功率(PC2)或GSM）

3、實(shí)際匹配器件的阻抗

我們考慮這三個(gè)因素，仔細(xì)了解一下如何利用天線方向圖和天線調(diào)諧器來優(yōu)化天線設(shè)計(jì)。

03深入了解阻抗匹配

阻抗匹配器件會(huì)影響功率水平，并且需要使用額定電壓水平更高的器件來優(yōu)化天線效率。

圖 2 為兩種天線設(shè)計(jì)，即模式 A 和 B。接下來，我們將闡述這些設(shè)計(jì)模式與不同額定電壓的阻抗匹配組件會(huì)如何相互影響。我們還將介紹如何利用額定電壓更高的器件來最大程度地提高總輻射效率。

Figure 2

首先，在圖 3 中我們可以看到，天線模式“A”和“B”在史密斯圓圖上如何通過低頻段 GSM 頻率進(jìn)行測(cè)量。如圖所示，天線阻抗位于史密斯圓圖的電感區(qū)域，因此串聯(lián)電容成為最優(yōu)匹配解決方案。因此，我們的天線匹配解決方案將使用電容。

Figure 3

在我們的示例中，我們將圖 4 左側(cè)所示的兩個(gè)類似器件作為天線阻抗匹配組件進(jìn)行了測(cè)量和比較。一個(gè)是 55VRF (DEVICE55)，另一個(gè)是 65VRF (DEVICE65)。每個(gè)器件都由具有 32 種不同電容狀態(tài)的可編程電容和獨(dú)立的可切換開關(guān)組成。

Figure 4

通過選擇每個(gè)器件的狀態(tài)，使天線模式 A 在低頻段頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大輻射效率。此外，所選的器件狀態(tài)還應(yīng)符合每個(gè)器件的額定射頻電壓要求：DEVICE55 為 55VRF，DEVICE65 為 65VRF，如下圖所示。

器件在 GSM850/900和 LTE B12（頻段 12）下進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)量圖（下圖 5）為連接這兩個(gè)器件的天線效率與頻率圖。

Figure 5

上述輸出測(cè)量采用了 DEVICE 55 和 DEVICE 65 的天線模式“A”。如圖所示，如果使用電壓較低的 55 V 器件，在 GSM850和 GSM900 Tx 頻率下，效率會(huì)受到明顯影響。為了在 GSM850、GSM900以及 B12 下實(shí)現(xiàn)更高的效率，同時(shí)保持電壓電平，應(yīng)選擇 DEVICE65 的電壓，因?yàn)槠湫蕰?huì)超過DEVICE55。

為提高 DEVICE55 響應(yīng)性能，我們嘗試使用模式“B”天線設(shè)計(jì)。

下述輸出測(cè)量圖顯示了使用 DEVICE65 的模式“A”。對(duì)于 DEVICE55，我們使用了模式“B”。盡管在 GSM 頻率下使用模式“B”天線設(shè)計(jì)可以改進(jìn) DEVICE55 方案的效果，但仍不足以達(dá)到 DEVICE65 組件的要求。如圖 6 中所示，DEVICE65 的效率再一次超過了 DEVICE55。

因?yàn)?DEVICE65 能夠滿足較高的射頻電壓輸入阻抗要求。

Figure 6

此外，使用模式“B”和 DEVICE55 所實(shí)現(xiàn)的效率沒有使用模式“A”和 DEVICE65 的那么高，頻段也沒有那么寬，尤其是在 B12 頻率范圍內(nèi)。

盡管使用模式“B”時(shí)，DEVICE55 會(huì)有所改進(jìn)，但效率沒有使用模式“A”和 DEVICE65 那么高。

總之，天線上的高電壓的確會(huì)對(duì)效率和性能產(chǎn)生影響。我們的測(cè)量結(jié)果證實(shí)，在高射頻電壓的阻抗匹配應(yīng)用中，額定電壓更高的器件可實(shí)現(xiàn)更高的性能。

在我們的示例中，我們采用 Qorvo 的兩款可配置調(diào)諧器，每款調(diào)諧器都包含一個(gè)開關(guān)和一個(gè)可編程電容陣列(PAC)，一個(gè)器件的額定電壓為 55V，另一個(gè)為 65V。額定電壓更高的組件可為天線設(shè)計(jì)人員提供更多的裕量。

從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠在不修改設(shè)計(jì)布局結(jié)構(gòu)的情況下，更有效地將電路與多個(gè)天線模式和射頻電壓情境進(jìn)行匹配。

原文標(biāo)題：高壓阻抗調(diào)諧快速指南

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