過去十年，天線調諧(Antenna Tuning)技術領域發生了巨大變化，天線變得更小、性能更強，能處理更多的無線電頻率訊號。這些發展的核心是絕緣層上覆矽(SOI)技術，其提供的調諧能力提高設計靈活性，並大幅改善性能。
科技有時進展飛速、日新月異，產品變得越來越小，處理速度越來越快，周遭的世界轉眼間便不同以往。行動裝置的天線也是如此，支援許多頻段的小巧行動裝置使得天線更加複雜。對於工程師而言，這種複雜性也是需要攻克的障礙。與此同時，技術開發工程師每推出一代新技術，都會逐步改進，透過持續改善來滿足更嚴格的系統要求。本文將介紹SOI技術的進步如何讓裝置在複雜的無線電頻率世界中擁有更佳性能。
多年來，行動裝置支援的頻段成長了十倍。在過去二十年左右的時間裡，行動裝置支援Wi-Fi、Bluetooth、GPS頻段，當然還有蜂巢式頻段。值得注意的是，自引進5G以來，蜂巢式和Wi-Fi頻段開始涵蓋更高的頻率區域，即3GHz以上(包括5~7GHz)。如今，超寬頻(Ultra-wideband)和毫米波(mmWave)也納入其中。最新的行動裝置具備支援所有這些頻段的天線，設計工程師在最佳化天線效率、功率和工作範圍方面都將面臨挑戰。為了應對這些設計挑戰，必須使用更新的SOI技術。
蜂巢式頻段簡介
影響天線設計的一個方面是蜂巢式頻譜重新分配和獲取(Re-farming and Acquisitioning)。新頻段已可用於整個蜂巢式頻譜，有助於拓寬整體頻寬，並帶來提升容量和資料速度的額外優勢。讓我們仔細看看這些低、中、高蜂巢式頻段：
．低頻段－600MHz至960MHz
容量有限，但覆蓋面積大，且能穿透到室內。
．中頻段－1.71GHz至2.17GHz
容量較高，對城市地區有利。
．高頻段－2.3GHz至2.69GHz
覆蓋範圍或工作範圍有限，但潛在容量非常高。
深入瞭解中高頻段蜂巢式天線
如圖1所示，這種天線結構支援低、中、高蜂巢式頻段。本文使用該天線PC板布局，對兩代SOI技術(上一代和當前一代)進行比較。在此應用中，使用三個天線調諧器(Tuner)：U2、U3和U4，以幫助針對覆蓋範圍和工作範圍調整低、中、高頻段。圖1顯示為4極(4-pole)天線調諧器的示例框圖，其類似於上述應用中所使用的調諧器。
圖1 低、中、高頻段天線結構
這種結構使用三個天線調諧器，支援以下頻段：
．U2支援中頻段和高頻段調諧。
．U3支援低頻段調諧。
．U4支援低-中-高頻段調諧。
開關RON和COFF回顧
孔徑調諧主要採用調諧器開關和可調諧電容。這些開關的主要品質因數是導通狀態電阻(RON)和斷開狀態電容(COFF)，如圖2所示。對於可調諧電容來說，具有寬範圍的調諧電容和良好的Q因數(品質因數)至關重要。RON和COFF會顯著影響天線效率。低電壓時，RON的影響較大；高電壓時，COFF的影響較大，採用低RON或低COFF的開關布局策略可針對不同頻率進行調諧最佳化。
圖2 導通狀態電阻(RON)和斷開狀態電容(COFF)示意圖
在斷開狀態下，孔徑調諧器的COFF會影響天線上的容性負載，進而降低諧振頻率。調諧器的COFF越高，該頻率偏離天線固有諧振頻率的幅度就越大。
SOI技術對比資料
為了減少PC板布局的代際變化，新的SOI天線調諧器保持針腳兼容，有助於降低系統設計人員的工程成本。
關於SOI技術改進，當代調諧器改善了衡量開關導通電阻的指標RON，衡量開關關斷狀態電容的COFF也有所改善。這兩個品質因數都是決定表1所示天線整體效率的因素。此外，當前一代的調諧器改進了低、中、高每個頻段的所有目標規格。
低、中、高頻段測量對比資料
從表1可以看出，在低頻段和高頻段，上一代調諧器很難滿足效率目標。這是因為SOI COFF寄生電容會產生損耗。使用當代SOI調諧器可降低COFF電容，透過每個天線調諧器開關分支洩漏的訊號也隨之減少。此外，當前一代調諧器的RON略有降低，這一改進讓開關路徑接通時，開關電阻更小。RON和COFF的這些改進有助於開關隔離，減少訊號損耗，並提高效率。
每代SOI技術的天線均需要進行調諧以實現性能最佳化。請注意，天線調諧產品之間的COFF差異會導致天線響應的頻移，在調諧每個頻段時應將其列入考量。考慮到頻移，需要對匹配電感值進行調整，使天線諧振與期望的頻段相符。
表1顯示上一代與當前一代的整體系統性能對比。在低、中、高各個頻段，當前一代的系統天線性能皆大幅提高。這進一步體現了SOI技術品質因數提高的原因。
每一代更新都會改進以前的設計，這是新技術開發的共同主題，SOI技術也是如此。每一代改進都將應用於新技術創新產品中。SOI已經存在一段時間，並且已經經過多次技術改進。是否在裝置設計中使用最新的尖端技術，可能是產品成功與否的關鍵。使用當前一代SOI將能提供所需的天線效率，滿足最終產品的工作範圍、資料速度和容量要求。
(本文由Qorvo提供)