多天線小空間成定局　孔徑調諧解手機射頻設計難題

天線尺寸不斷縮小，會降低天線效率。如果不解決這個問題，效率降低會影響發送(Tx)和接收(Rx)性能，從而導致電池續航時間縮短、資料速率降低，以及出現連接問題。

更高的資料速率　意味著更多的天線

向5G過渡意味著不斷提高資料速率，這將使每部手機中的天線數量大幅增加。實現更高資料速率的兩項主要技術為載波聚合(CA)和多重輸入多重輸出(MIMO)，它們都須要多個天線同時運行。5G將進一步推動這個趨勢，因為5G要求支援四個獨立的下行通道同時接收大多數頻段的訊號，還要求手機要有至少四個可用於行動通訊的天線。

與此同時，手機天線須要支援更寬的頻段範圍，這在很大程度上是由於引入了新的5G頻段。5G手機可能須要支援低至600MHz到高達6GHz的頻率範圍。

為了支援這些要求以及Wi-Fi、全球衛星定位系統(GPS)與藍牙(Bluetooth)，天線的典型數量將從如今長程演進計畫(LTE)手機中的四至六個增加到5G智慧型手機中的六至十個(圖1)。將所有這些天線安裝到有限的可用空間，變得愈發困難。

更多天線、更小的天線面積，意味著更嚴峻的挑戰。隨著製造商改變工業設計和不斷增加新功能，天線的可用空間不斷縮小，這個問題越來越嚴重。其中一項重大變化是改用全螢幕手機，顯示螢幕幾乎占據了手機的整個正面；因此，在螢幕之外可供天線使用的空間更少。製造商還增加了更多的攝影鏡頭，使手機內的可用空間進一步縮小。

要將更多的天線安裝到更小的空間內意味著天線變得越來越小，天線尺寸縮小將導致天線效率降低。圖2顯示採用全螢幕設計時，天線效率如何隨著手機頂部的輻射元件與地(位於螢幕邊緣)之間的距離縮小而降低。

天線數量更多且尺寸更小，還意味著手機對其環境變化(例如手握電話的位置)引起的瞬態效應更敏感。這些瞬態效應可能包括效率降低和頻率回應漂移。

善用權衡三角形　獲致天線最佳設計

圖3的天線「權衡三角形」顯示了天線尺寸縮小對效率和頻寬的影響。如果天線尺寸保持不變，則可以透過犧牲效率以換取更寬的頻寬。

在天線尺寸較大的上一代手機中，這種權衡方案可能還是可以接受的，因為天線仍然既能滿足性能要求，同時還支援更寬的頻段範圍。但隨著天線尺寸縮小，這種權衡方案就行不通了。

在新的全螢幕設計中，天線只能在較窄的頻率範圍內達到所需的效率水準。因此，為了滿足目前手機設計須支援的寬頻率範圍，必須進行天線調諧，以便在每個頻率均實現高效工作。

孔徑調諧/開關調諧　替天線面積/效率找解方

目前為了克服因天線面積和效率降低所導致的問題，手機中主要採用孔徑調諧法。隨著向5G過渡，使智慧型手機支援不斷擴大的頻段範圍至關重要。

孔徑調諧對發射和接收通訊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3dB甚至更多。天線調諧概念如圖4所示，在天線和地之間連接一個開關，用來調節天線的諧振頻率，以匹配手機通訊當前使用的頻率。

在開關和輻射元件之間添加不同的調諧元件(電容或電感)，可進一步調節諧振頻率，以支援不同的頻段。圖4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。為了說明孔徑調諧的概念，圖4中的每個元件都連接至一個簡單的開關。然而，在一些應用中(例如主手機天線)，可以使用更複雜的多擲開關來連接多個調諧元件，支援更寬的頻段範圍。

選擇合適的調諧組件

選擇合適的調諧組件非常重要，例如最好避免使用超過36奈亨(nH)的電感，因為其自諧振頻率較低。此外，由於PC板布局引起的寄生效應會進一步降低電感的自諧振頻率，使諧振處於蜂巢式網路頻率範圍內。使用低於0.5皮法(pF)的電容值很可能意味著選擇的元件具有高容差。然而，高容差電容會導致電容值的變化超出預期，從而產生調諧和效率問題。

在設計RF系統和添加天線孔徑電路時，必須要考慮寄生效應。

小心走線布局　遵循設計指南

在考慮電路布局時了解會產生寄生效應的位置非常重要，因為它們會導致諧振頻率的損失與變化。在進行手機的PC板布局時，須要考慮焊盤尺寸和焊盤形狀，因為焊盤或走線布局不當會增加寄生電容和電感。

設計時必須考慮一些重點，例如減少短接，因為它們可能導致訊號完整性問題。減少走線寬度突然變化的設計，例如90度彎曲，且最好採用平滑過渡的方式(圖5)。還要優化焊盤尺寸和位置，因為它們會增加寄生電容。並盡可能使孔徑調諧器和RF天線饋電點之間的距離最小，以最大限度地減小寄生效應對天線回應的影響。此外，須創建良好的RF反向電流路徑。接地端靠近天線時會降低天線效率，應格外小心。

除此之外，針對每個接地連接使用一個或多個專用過孔，以最大限度地減小對地電感，例如將過孔放在接地焊盤中並用環氧樹脂進行填充，以及使用一個或多個過孔來降低電感和電阻。

再者，須確保通過低阻抗路徑將接地路徑連接到電路板地，這能最大限度地減少雜訊耦合並改善調諧器的線性度；在所有RF元件周圍提供足夠的離地間隙。儘量不要將地靠近RF埠放置，因為這會增加寄生電容(圖6)。並且，避免在調諧器下布局電源走線和控制走線，因為來自電源線和控制線的雜訊會耦合到天線上。並在孔徑調諧器和可能產生噪音的所有電源線和控制線之間使用接地層，以及長度超過5毫米(mm)的電源線走線須使用鐵氧體磁珠或扼流圈。

而設計上務必要避免的事項，包括對RF連接使用熱阻、RF走線路由經過多層(這會使走線阻抗失真並增加通過走線的反射功率和插入損耗)、在調諧器以及連接開關和天線的RF走線下方或周圍放置懸浮接地層。

調諧天線以支援多個頻率範圍

一個天線擁有多個固有諧振頻率，它們之間為諧波關係，例如天線的諧振頻率可以是900MHz、1,800MHz(二次諧波)、2,700MHz(三次諧波)等。使用孔徑調諧開關對這些頻率中的每一個頻率進行調諧，單一天線就能夠支援分布在非常寬的頻譜範圍內的多個頻段。圖7顯示了此一工作原理，每個諧振頻率沿天線具有不同的電壓分布，而電壓分布模式隨天線類型而不同。

可針對這些諧振頻率中的每個頻率獨立調諧，只須將孔徑調諧開關放置在效用最大的位置，它通常是在該頻率下電壓分布的最高點附近。

只須沿天線的不同位置放置多個開關，並使用多個調諧元件搭配每個開關，單一手機天線就能夠支援非常寬範圍的低頻段、中頻段和高頻段(圖8)。

回波損耗與天線效率

在許多情況下，回波損耗是一個很好的天線效率衡量指標，但是這兩個測量值並非始終一致。首先，先來了解以下幾個專有名詞：

・天線的總體效率

此為天線輻射功率與收發器功率之比。

・天線的輻射效率

這是天線輻射功率與輸入天線的功率之比。由於阻抗不匹配和路徑中的其他損耗，來自收發器的部分功率未能傳送至天線。

・失配損耗

這是由於天線和收發器之間的阻抗不匹配而引起的功率損耗。當天線阻抗等於收發器阻抗的共軛複數時，天線和收發器之間的功率傳輸值最大。

・回波損耗

此為傳輸功率與反射功率之比。如果收發器的阻抗與天線阻抗匹配良好，則反射功率非常小。回波損耗值大表示天線和收發器之間的功率傳輸效率高。要求回波損耗>10dB，這樣可以提供>90%的功率傳輸效率。

天線輻射效率不包括由於回波損耗引起的反射功率。因此，判斷天線性能的最佳方法是查看天線的總體效率(圖9)，亦即公式1：

天線的總體效率(dB)=輻射效率(dB)+失配損耗(dB) .......................................公式1

天線的總體效率由天線輻射效率和天線與RF前端之間的失配損耗組成。回波損耗能夠較好地衡量傳送至天線的訊號功率，而天線輻射效率則衡量天線輻射該訊號功率的能力。天線可能與RF前端匹配良好(從而提供非常好的回波損耗)，但卻無法有效地輻射該訊號。

通常，當效率較高時，回波損耗也較好，但並非始終如此。這是什麼原因？

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10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品質因數至關重要。選擇具有低RON的元件，對於使系統的電阻損耗保持在最低水準至關重要。

RON和COFF會顯著影響天線效率。降低RON可使電感調諧和電容調諧的效率提高幾個dB(圖11)，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，沿著天線的長度方向，RON和COFF影響存在差異，具體取決於電壓分布。低電壓時，低RON的影響更大；高電壓時，COFF的影響更大；針對不同頻率的調諧優化，可採用低RON開關或低COFF開關的布局策略。來自斷開開關的寄生電容COFF會影響諧振頻率和效率，具體取決於它在天線上的位置和COFF的值。

如圖12所示，其中採用平面倒F型天線(PIFA)，SPST開關產生COFF。開關在天線上的位置從左(低阻抗)向右(高阻抗)移動，開關的COFF從0.1pF變化至0.4pF。在天線的低阻抗區域(左側)，COFF的值對損耗和RF回應的影響非常小。但隨著開關位置向天線的高阻抗區域(右側)移動，SPST開關的COFF使諧振頻率發生變化並導致更高的損耗。因此，將調諧器放置在天線的高阻抗區域時，必須選擇具有極低COFF的調諧器。

除了調諧器的COFF之外，由於走線和焊盤引起的寄生電容也會使性能下降。對於PIFA應用來說，COFF的影響隨著與饋電/接地的間距加大而增加。RF回應和開關損耗效率隨著COFF遠離調諧器的位置而發生改變。圖12顯示了位置和COFF電容對RF回應的影響，隨著距離和電容的增加而產生更高損耗。

消除不必要的諧振

消除不需要的諧振也非常重要，該諧振可能是調諧電感連接到RF埠的情況下由調諧器開關的COFF引起的。圖13顯示了典型的孔徑調諧器應用以及帶有和沒有內部接地埠的情況。在天線和調諧元件之間連接一個SP4T調諧器開關，以便將天線調諧到不同的頻段。天線透過RF3埠連接至一個電容，而其他三個埠為斷開狀態。常見的孔徑開關在斷開狀態下是容性開關，在導通狀態下則為阻性開關。因此，RF1、RF2和RF4在斷開狀態下，可能會由於調諧電感和COFF而產生的不必要的諧振。然而，為了抑制不必要的諧振，RF2和RF4電感的斷開埠可以透過開關在內部接地，從而使調諧電感與引起諧振的電路斷開連接。

這些不需要的諧振會使RF回應失真，並且還會降低天線之間的隔離性能。如圖13的最右側所示，調諧器開關能夠將RF端口在內部接地，使得外部調諧電感與電路斷開連接，進而消除不需要的諧振。

結合載波聚合　發揮孔徑調諧長處

世界各地的LTE運營商都採用載波聚合來提供更高的資料速率。載波聚合將兩個或多個LTE載波(通常在不同的頻段中)組合起來，以增加頻寬。由於手機中的天線數量有限，這通常意味著單一天線必須在兩個頻段上同時通訊。

精心放置孔徑調諧開關可以滿足此一要求。如前所述，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。相反地，將調諧開關放置於諧振頻率的零電壓點，幾乎沒有任何調諧效果。透過確定開關的位置，使其在一個諧振頻率的峰值電壓點附近，同時又在另一個頻率的零電壓點附近，這樣可以調諧前一個頻率而不影響後一個頻率。

圖14顯示了用於支援頻段39和頻段41組合(通常用於中國大陸)的孔徑調諧。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。

提供更多手機ESD保護

手機設計人員在解決手機中的靜電放電(ESD)問題時依然面臨著挑戰。良好的ESD設計方法是在元件級、在設計期間以及最終測試時，使用多層面的系統級方法。該方法包括按照國際電子電機委員會(IEC) ESD標準61000-4-2進行設計和測試。IEC 61000-4-2被視為終端產品ESD測試和評級的行業標準，它用於說明確定系統對現場外部ESD事件的易損性。

在設計手機ESD解決方案時，建議使用系統高效ESD設計(SEED)方法。SEED是一種實現板載和片上ESD保護的協同設計方法。將SEED與建模和模擬結合使用，能夠幫助設計人員分析並實現系統級ESD穩健性。

此外，還建議將所有ESD保護放在孔徑調諧器之前，因為這樣可以最大限度地保證減小ESD事件。此外，務必盡可能縮短ESD保護元件之間的走線，因為它們會產生不必要的電感。使用電感提供ESD保護時，選擇低電感值，這樣可以提供更多保護(圖15)，但請注意這些電感會影響插入損耗。

有時，使用瞬態電壓抑制器(TVS)二極體作為初級ESD鉗位效果最佳(圖16)。使用具有小電容的TVS二極體可避免天線輸入失諧，並降低諧波失真。正常工作時，TVS二極體保持開路。一旦發生ESD事件，它將提供低阻抗路徑接地。ESD事件結束後，TVS回到開路狀態。

因應頻段範圍加大　孔徑調諧技術挑大樑

為使當今的智慧型手機能夠支援不斷增加的頻段範圍，孔徑調諧至關重要。這項技術可以顯著提高Tx和Rx性能，以應對手機工業設計變化帶來的挑戰，從而滿足日益複雜的RF要求。孔徑調諧的有效實施，需要大量有關如何採用該技術以優化不同應用的知識。更多天線也意味著孔徑調諧解決方案必須足夠小，才可以放置到不斷縮小的可用空間內。

(本文作者為Qorvo移動產品部門高級行銷經理)