攻克復(fù)雜性障礙：下一代 SOI 天線調(diào)諧

過去十年，天線調(diào)諧技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了巨大變化。天線變得更小、性能更強(qiáng)，能處理更多的射頻信號(hào)。這些發(fā)展的核心是絕緣硅片 (SOI) 技術(shù)——它提供的調(diào)諧能力提高了設(shè)計(jì)靈活性，并大幅改善了性能。

復(fù)雜射頻世界中的器件性能

有時(shí)候，科技似乎在飛速發(fā)展，日新月異——產(chǎn)品變得越來越小，處理速度越來越快，我們的世界剎那間便不同以往。移動(dòng)設(shè)備的天線也是如此。支持許多頻段的更小移動(dòng)設(shè)備使得天線更加復(fù)雜。對(duì)于工程師而言，這種復(fù)雜性也是需要攻克的障礙。與此同時(shí)，技術(shù)開發(fā)工程師每推出一代新技術(shù)，都會(huì)做出漸進(jìn)式改進(jìn)，通過這種持續(xù)改善來幫助滿足更嚴(yán)格的系統(tǒng)要求。這篇博客文章介紹絕緣硅片 (SOI) 技術(shù)的進(jìn)步如何讓我們的器件在復(fù)雜的射頻世界中性能更佳。

多年來，移動(dòng)設(shè)備支持的頻段增長(zhǎng)了十倍。在過去二十年左右的時(shí)間里，我們的移動(dòng)設(shè)備支持 Wi-Fi、Bluetooth、GPS 頻段，當(dāng)然還有蜂窩頻段。值得注意的是，自 5G 引入以來，蜂窩和 Wi-Fi 頻段開始涵蓋更高的頻率區(qū)域——3 GHz 以上，包括 5-7 GHz。如今，我們看到超寬帶和毫米波也納入其中。最新的移動(dòng)設(shè)備具備支持所有這些頻段的天線，這使得設(shè)計(jì)工程師在優(yōu)化天線效率、功率和工作范圍方面面臨挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，必須使用更新的 SOI 技術(shù)。

蜂窩頻段簡(jiǎn)介

影響天線設(shè)計(jì)的一個(gè)方面是蜂窩頻譜重新分配和獲取 (re-farming and acquisitioning)。新頻段已在整個(gè)蜂窩頻譜中可用，有助于拓寬整體帶寬，并帶來提升容量和數(shù)據(jù)速度的額外優(yōu)勢(shì)。讓我們仔細(xì)看看這些低、中、高蜂窩頻段：

• 低頻段–600 MHz 至 960 MHz

  容量有限，但覆蓋面積大，具有室內(nèi)穿透性

• 中頻段–1.71 GHz 至 2.17 GHz

  容量較高，對(duì)城市地區(qū)有利

• 高頻段–2.3 GHz 至 2.69 GHz

  覆蓋范圍或工作范圍有限，但具有非常高的潛在容量

深入了解中高頻段蜂窩天線

如圖 1 所示，這種天線結(jié)構(gòu)支持低、中、高蜂窩頻段。我們使用下面的天線 PC 板布局，對(duì)兩代 SOI 技術(shù)（上一代和當(dāng)前一代）進(jìn)行了比較。在此應(yīng)用中，我們使用三個(gè)天線調(diào)諧器：U2、U3 和 U4，以幫助針對(duì)覆蓋范圍和工作范圍調(diào)整低、中、高頻段。圖 1 還顯示了一個(gè) 4 極天線調(diào)諧器的示例框圖，其類似于此應(yīng)用中使用的調(diào)諧器。

圖1：低、中、高頻段天線結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)使用三個(gè)天線調(diào)諧器，支持以下頻段：

• U2 支持中頻段和高頻段調(diào)諧

• U3 支持低頻段調(diào)諧

• U4 支持低-中-高頻段調(diào)諧

開關(guān)RON 和 COFF 回顧

孔徑調(diào)諧主要采用調(diào)諧器開關(guān)和可調(diào)諧電容。這些開關(guān)的主要品質(zhì)因數(shù)是導(dǎo)通狀態(tài)電阻 (RON) 和斷開狀態(tài)電容 (COFF)，如下圖所示。對(duì)于可調(diào)諧電容來說，具有寬范圍的調(diào)諧電容和良好的 Q 因數(shù)（品質(zhì)因數(shù)）至關(guān)重要。RON 和 COFF 會(huì)顯著影響天線效率。低電壓時(shí)，RON 的影響更大；高電壓時(shí)，COFF 的影響更大；采用低 RON 或低 COFF 的開關(guān)布局策略可針對(duì)不同頻率優(yōu)化調(diào)諧。（另見移動(dòng)5G 設(shè)備天線調(diào)諧揭秘博客文章）

在斷開狀態(tài)，孔徑調(diào)諧器的 COFF 會(huì)影響天線上的容性負(fù)載，從而降低諧振頻率。調(diào)諧器的 COFF 越高，該頻率偏離天線固有諧振頻率的幅度就越大。

SOI 技術(shù)對(duì)比數(shù)據(jù)

為了減少 PC 板布局的代際變化，新的 SOI 天線調(diào)諧器保持引腳兼容。這有助于降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的工程成本。

關(guān)于 SOI 技術(shù)改進(jìn)，當(dāng)前一代調(diào)諧器改善了衡量開關(guān)導(dǎo)通電阻的指標(biāo) RON。衡量開關(guān)關(guān)斷狀態(tài)電容的 COFF 也有所改善。這兩個(gè)品質(zhì)因數(shù)都是決定表 1 所示天線整體效率的因素。此外，當(dāng)前一代調(diào)諧器改進(jìn)了低、中、高每個(gè)頻段的所有目標(biāo)規(guī)格。

低、中、高頻段測(cè)量對(duì)比數(shù)據(jù)

從表 1 可以看出，在低頻段和高頻段，上一代調(diào)諧器很難滿足效率目標(biāo)。這部分是由于 SOI COFF 寄生電容會(huì)產(chǎn)生損耗。使用當(dāng)前一代 SOI 調(diào)諧器可降低 COFF 電容。通過每個(gè)天線調(diào)諧器開關(guān)分支的信號(hào)泄漏隨之減少。此外，當(dāng)前一代調(diào)諧器的 RON 略有降低。這一改進(jìn)導(dǎo)致開關(guān)路徑接通時(shí)的開關(guān)電阻更小。RON 和 COFF 的這些改進(jìn)有助于開關(guān)隔離，減少信號(hào)損耗，并提高效率。

每代 SOI 技術(shù)的天線均需進(jìn)行調(diào)諧以優(yōu)化性能。請(qǐng)注意，天線調(diào)諧產(chǎn)品之間的 COFF 差異會(huì)導(dǎo)致天線響應(yīng)的頻移，這在調(diào)諧每個(gè)頻段時(shí)應(yīng)予以考慮。由于這種頻移，需要對(duì)匹配電感值進(jìn)行調(diào)整，使天線諧振與期望的頻段相符。

下表 1 顯示了上一代與當(dāng)前一代的整體系統(tǒng)性能對(duì)比。在低、中、高各個(gè)頻段，當(dāng)前一代的系統(tǒng)天線性能都有相當(dāng)可觀的提高。這進(jìn)一步體現(xiàn)了 SOI 技術(shù)品質(zhì)因數(shù)提高的原因。

表 1：兩代 SOI/產(chǎn)品的對(duì)比數(shù)據(jù)

新技術(shù)開發(fā)的一個(gè)共同主題就是每一代更新都會(huì)改進(jìn)以前的設(shè)計(jì)。SOI 技術(shù)也是如此。每一代改進(jìn)都將應(yīng)用于新技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)品中。SOI 已經(jīng)存在了一段時(shí)間，并且有許多技術(shù)改進(jìn)。是否在設(shè)備設(shè)計(jì)中使用最新的尖端技術(shù)，可能是產(chǎn)品成功與否的關(guān)鍵。使用當(dāng)前一代 SOI 將能提供所需的天線效率，滿足最終產(chǎn)品的工作范圍、數(shù)據(jù)速度和容量要求。有關(guān)所述應(yīng)用的詳細(xì)信息，請(qǐng)隨時(shí)通過技術(shù)支持聯(lián)系我們。

移動(dòng)5G 設(shè)備天線調(diào)諧揭秘

https://www.qorvo.com/design-hub/blog/mobile-5g-device-antenna-tuning-demystified

技術(shù)支持

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關(guān)于作者 Chris Williams高級(jí)應(yīng)用/ 系統(tǒng)工程師

Chris 是天線調(diào)諧技術(shù)主題專家，在設(shè)計(jì)和測(cè)試所有蜂窩頻段上工作的天線方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。他負(fù)責(zé)了解客戶的天線架構(gòu)，以便 Qorvo 能夠進(jìn)一步改進(jìn)技術(shù)，幫助客戶應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)并拓展應(yīng)用領(lǐng)域。