解決多頻段手機RF損耗　阻抗調諧器大增天線效能

最大限度地提高天線效能是關鍵挑戰之一。手機製造商正在添加更多天線來處理不斷擴增的頻段和無線標準。隨著更多天線置入手機，其效能更易受外部條件的影響，例如手機接近不同材料以及使用者握持手機的方式等。在這些條件下，天線阻抗(Antenna Impedance)可能發生變化，導致天線與RF前端(RFFE)之間的阻抗失配。當天線在不同頻段通訊時，天線阻抗也會發生變化。阻抗失配減少了RFFE和天線之間的RF功率傳輸，須增加傳輸功率來補償損耗，因此會影響手機的整體RF效能並縮短電池使用壽命。

阻抗調諧器(Impedance Tuner)透過在不同使用條件下和廣泛頻率範圍內，將天線的阻抗與RFFE的阻抗相匹配來解決此問題，這能夠最大限度地增加RFFE和天線之間傳輸的RF功率，從而幫助智慧手機製造商滿足不同應用和廣泛頻率範圍的效能要求。

當RFFE和天線之間的阻抗失配時

RFFE阻抗通常是恆定的50歐姆(Ω)，但天線阻抗會根據頻段和使用條件而變化。當存在阻抗失配時，在RFFE和天線之間傳輸的RF功率會減少。例如，當手機傳輸訊號時，並非來自訊號源(RFFE)的所有可用功率都能傳輸到負載(天線)，這可能會導致高達幾dB的訊號損耗。

損耗量取決於RFFE和天線阻抗之間的失配大小。圖1顯示系統在不同電壓駐波比(VSWR)情況下的損耗。

天線阻抗會發生兩種變化，分別是靜態和動態。

天線阻抗隨頻率的靜態變化

變化的大小將取決於天線設計。當天線在不同頻段通訊時，阻抗會發生變化，同一頻段內不同區域的阻抗也可能不同。圖2顯示在1,900MHz頻率下匹配的天線；阻抗在其他頻率下發生變化，由於阻抗失配而導致損耗。

天線阻抗在不同使用條件下的動態變化

天線阻抗也可能動態變化，具體取決於握持手機的方式以及手機是否靠近其他物體。手機上的天線通常主要位於手機的底部和頂部。在具有金屬外殼的手機中，天線的主要部分位於手機的外部，以最大限度地提高效能。

在一般使用條件下，例如當手機放在桌子上、垂直拿著或用於傳統音訊對話時，這些天線不會受阻，因此能夠最大限度實現其效能。但是，在某些情況下，接近不同的材料，也可能導致天線阻抗變化，從而降低天線效率，增加手機中的損耗。在嚴重的情況下，例如手機橫握，雙手都擋住天線時，天線阻抗會發生很大的變化(圖3)。

設法解決阻抗失配問題

阻抗失配問題的解決方案是在RFFE和天線之間插入阻抗匹配網路(Matching Network)，以最大化天線和RFFE之間的功率傳輸。

根據最大功率傳輸定理，當負載阻抗是來源阻抗的複共軛時，來源阻抗向負載提供最大功率。換句話說，當負載電阻等於供電網路的Thevenin/Norton電阻時，將向負載傳遞最大功率。

因此，要實現從RFFE到天線的最大功率傳輸，具有50歐姆來源阻抗的RFFE的天線阻抗必須為50歐姆。然而，儘管RFFE阻抗在所有頻段通常都恆定在50歐姆，天線阻抗仍隨頻率和使用條件而變化。要使這兩個阻抗一致，RFFE和天線之間須要使用阻抗匹配網路。

什麼是阻抗匹配網路

阻抗匹配網路是一種通常由電感和電容組成的電路，用於在所需頻率範圍內使天線阻抗與RFFE匹配(圖4)。

上述阻抗匹配網路為RFFE提供50歐姆阻抗，從而為天線提供RFFE的複共軛阻抗。手機的阻抗匹配網路通常採用電感和電容，形成的網路具有相對較低的損耗，並可實現最大功率傳輸。傳輸線和變壓器也可用於匹配，但不是匹配手機天線的最佳選擇。

固定匹配網路的限制

如果匹配網路僅由固定電感和固定電容組成，則網路的匹配能力僅限於固定阻抗。由於天線阻抗隨頻率和使用條件而變化，因此固定阻抗覆蓋範圍有限，僅幾個頻段或只有一個使用條件能夠獲得最佳匹配。

可調諧匹配網路的優勢

而另一方面，可調諧匹配網路支援匹配更寬的阻抗範圍。可調諧匹配網路由可調諧為不同值的電感和電容組成。

圖5說明了可調諧電容(Tunable Capacitor)相對於固定電容的優點。目標是增加6：1 VSWR來源和45度相位的阻抗匹配。在來源和負載之間串聯添加一個1.9皮法(pF)固定串聯電容可在830MHz下實現最大功率傳輸，因為在該頻率下，它在來源和負載之間提供了共軛匹配。但如圖6所示，1.9皮法固定串聯電容在其他頻率下並不提供共軛匹配。

相比之下，0.6皮法至2.6皮法的可調諧電容，能夠在非常寬的頻率範圍內為負載提供複共軛匹配，從而可在多個頻段範圍內實現最大功率傳輸。

選擇適當的指標來量化可調諧匹配網路的優勢

使用正確的指標來量化可調諧匹配網路的優勢至關重要，因為一些常用的指標(如回波損耗)無法衡量匹配網路給負載增加了多少傳輸功率。

回波損耗(Return Loss)是入射功率與負載反射功率之比。如果來源和負載之間沒有匹配網路，則可以假定，負載反射功率減少意味著有更多的功率傳輸給負載。例如，10dB回波損耗意味著90%的功率將從來源傳輸至負載。

但是，如果使用匹配網路說明實現來源阻抗和負載阻抗匹配，則回波損耗並非是判斷傳輸給負載的功率大小的最佳指標。當使用可調諧匹配網路時，這尤其重要。例如，可調諧匹配網路可配置為有損狀態，因此來自來源的部分功率會消耗在匹配網路中。這會減少反射功率，由此減少回波損耗，但並不意味著有更多功率傳輸至負載。

在這種情況下，轉換器功率增益是更好的指標，這定義成如下公式：

完美匹配無損系統的轉換器增益為0dB。但是，由於很難在寬頻率範圍內實現完美匹配，並且任何系統中都會有一些損耗，因此實現0dB轉換器增益的目標實際上並不現實。

在頻率範圍內實現完美匹配的難度

天線阻抗會隨頻率而變化，因而很難在寬頻率範圍內將天線與其複共軛匹配。例如，在典型的分頻雙工(FDD)系統中，天線在兩個不同的頻率下同時發射和接收，而這兩個頻率由於隔離要求是分開的。圖7顯示天線阻抗在頻段5和頻段1的發射及接收頻率之間有何差異。

面對固有損耗(Inherent Losses)

由於組成匹配網路的電容和電感是有損耗的，因此匹配網路在總體上也是有損耗的。在匹配網路中添加更多的元件會增加插入損耗(Insertion Loss)，不僅是元件損耗，PC板寄生效應也隨之增加。

可以使用品質(Q)因數更高的電容和電感將損耗降至最低，但是品質因數更高的元件通常更大也更貴。

在大多數情況下，來源和負載無須完美匹配。2：1甚至3：1的VSWR都是可以接受的。2：1的VSWR將實現89%的功率傳輸，3：1的VSWR將實現75%的功率傳輸。

調諧器增益作為阻抗匹配網路的指標

不要僅關注插入損耗，衡量阻抗匹配網路有效性的一個更好的指標是調諧器增益(Tuner Gain)。調諧器增益是有和沒有阻抗調諧網路情況下的轉換器增益之比。它正成為量化和比較阻抗匹配網路優勢的最常用指標。完美匹配3：1 VSWR網路的調諧器增益為1.25dB。

有和沒有匹配網路的情況下，調諧器增益指標都會同時考慮天線的增益和損耗。簡單網路可提供損耗很低的有限匹配，而複雜網路可提供出色匹配，但損耗較高。使用調諧器增益衡量指標有助於在阻抗調諧器損耗和網路輸出之間找到適當的平衡點。調諧器增益與提高天線總體效率直接相關。

以可調諧電容和電感建構阻抗匹配網路

可調諧電容和電感是建立具有寬阻抗覆蓋範圍之匹配網路的最佳方式，能夠同時調諧電容和電感的網路可在多個方向調整阻抗，如圖8的史密斯圓圖(Smith Chart)所示。

比較不同類型的匹配網路

增加匹配元件的數量，可提供更大的史密斯圓圖覆蓋範圍。圖9比較了同一可調諧電容在三種類型的匹配網路中的使用情況：單獨使用、在L型匹配設計中使用一個電感，以及在Pi型匹配設計中使用兩個電感。

得到的結論有三點，一、簡單的串聯可調諧電容(Cs)具有有限調諧能力，在電感區域具有最大優勢，而在電容區域則有負面影響；二、添加一個並聯電感(La)可極大地改進電容區域的調諧能力；三、在Pi型匹配網路的輸入端再添加一個電感(Ls)，可使調諧器增益在電感和電容區域都保持在一個相對平穩的水準。

但是，請注意，雖然透過增加調諧元件數提高了平均調諧器增益，但由於這些元件帶來的附加損耗，會使最大調諧器增益降低。

使用開關旁路匹配網路並實現電感調諧

關鍵問題在於，當不需要匹配網路時，如何將損耗降至最低？一種方法是添加一個開關來旁路匹配網路。以下介紹開關的使用以及展示優勢的測量。

活用可調諧電感

整合調諧電感的損耗較高，尺寸通常也較大。另一種方法是將高品質因數電感和低損耗開關組合在一起，建構一個高效能可調諧電感(Tunable Inductor)，如圖10所示。

採用旁路模式

如圖11所示，也可使用開關來旁路串聯元件。以天線為例，其阻抗隨頻率而變化，但在特定頻率範圍內與RFFE匹配。在此頻率範圍內，不需要阻抗匹配網路，因為這只會增加額外損耗。當天線在此頻率範圍內工作時，可使用開關來旁路串聯元件，幫助將損耗降至最低。圖11顯示使用和不使用旁路開關(Bypass Switch)時調諧器增益的差異。該範例使用插入損耗為0.2dB的開關。

採用旁路開關可減少史密斯圓圖中一些區域的損耗。如果是電容匹配，則串聯電容對於史密斯圓圖的電容區域(180度至360度)匹配無效。在此區域中，可打開旁路開關，將網路中的整體損耗降至最低。

認識品質因數對調諧器增益的影響

阻抗匹配網路中所用元件的品質因數有多重要？例如，提高品質因數可改進調諧器增益，但這種改進達到某一點就開始飽和。高品質因數元件的缺點是尺寸較大，這可能導致整體解決方案尺寸增大。

電容或電感的品質因數是該元件的損耗指標。對於電容(或電感)，品質因數是電抗與電阻之比。在理想的電容或電感中，電阻為零，因此使得品質因數無限大。

圖12和表1比較了使用與上例相同的三個匹配電路時對品質因數的影響。對於所有三個網路，電感的品質因數均保持不變，以便在改變可調諧電容的品質因數情況下比較效能。當品質因數從5增加到10，再從10增加到20時，調諧器增益顯著增加。

但是，一旦品質因數達到30至40的範圍，進一步增加品質因數時，效能改進的幅度就相對較小。

在實際天線問題場景中使用阻抗調諧器

這裡將討論幾個能夠使用可調諧阻抗匹配網路提高天線總體效率的實際應用場景。

範例A：減少頻段5的損耗

如果沒有調諧網路，由於頻段5的阻抗失配而導致的損耗範圍為頻段低端的近-2.9dB到頻段高端的-0.8dB。

透過添加具有固定電感的L型匹配調諧網路，可彌補大部分損耗，特別是頻段低端(Tx)(圖13)。

而透過靠近天線添加電感和開關，可進一步改善頻段較高端(Rx)的效能(圖14)。

範例B：減少頻段1的損耗

由於頻段1的阻抗失配而導致的損耗範圍為頻段高端的近-4.7dB到頻段低端的-0.7dB。

由於阻抗主要位於史密斯圓圖的電感區域，因此一個可調諧串聯電容就足以彌補大部分失配損耗(圖15)。

在輸入端添加並聯電感，可在頻段低端實現近1dB的效能改善(圖16)。

範例C：使用整合調諧器模組來改善多個頻段的效能

在此例中，使用整合式阻抗調諧器模組提高多個頻段的天線總體效率。由於匹配不佳，頻段12和頻段13的天線效能很低(圖17)。這裡選擇可調諧L型匹配網路來提高效能，該網路由一個整合了可調諧電容和單刀單擲開關以及外部電感的模組組成。

借助阻抗匹配網路，頻段12和13的天線總體效率得到大幅提升(圖18)。頻段5和頻段8 Tx也有顯著改善。由於L型匹配網路無法在該阻抗下提供最佳匹配，並且匹配網路存在損耗，頻段8 Rx的天線總體效率略有下降。

範例D：比較更複雜匹配網路的優勢和劣勢

此範例說明了使用包括多個調諧元件的更複雜匹配網路的優勢和劣勢。

圖19顯示兩個不同的匹配網路：具有開關旁路之相對簡單的串聯電容匹配網路，以及更複雜的Pi型匹配網路。

這兩個匹配解決方案都提高了700~ 750MHz和>820MHz頻率下的天線總體效率，如圖20所示，邊緣的改進效果顯著。

但是，天線在750MHz和820MHz之間匹配良好，如果沒有匹配網路，此區域的損耗主要歸因於天線的輻射效率。當天線在此區域工作時，使用匹配網路只會增加損耗。因此，為了最大限度地減少損耗，兩個網路都要使用旁路開關。

總體而言，與簡單的串聯電容匹配相比，使用Pi型匹配網路的天線效率更高。透過在串聯電容任一側添加兩個並聯開關和並聯電容，可顯著改進880MHz至960MHz之間(頻段8)的天線匹配。但是，配置這兩個開關和電容後，如果不使用，則會產生更大的損耗，如範例中的兩個區域(700~720MHz和800~820MHz)所示。

採用智慧調諧　設法提高效能

使用感測器回饋、接收訊號強度、正向/反射功率和天線阻抗進行智慧調諧(Smart Tuning)，可將阻抗調諧網路設置為最佳狀態，以便在不同的使用條件下最大限度地提高效能。

例如，在手機中，主要低頻段傳輸天線位於手機底部靠近充電插口的地方。低頻段(700~960MHz)的天線總體效率通常低於50%，而當充電電纜連線到手機，或者在遊戲模式下用雙手握持手機(螢幕橫向)時，由於天線阻抗發生變化，天線總體效率會下降到25%以下。

在這些使用條件下，可以使用智慧可調諧阻抗匹配網路來校正天線回應的偏移。

有些情況下可使用手機內的感測器進行偵測。例如，手機中的加速計可識別螢幕的方向。當充電電纜連線到手機時，很容易偵測到。此外，也可以透過接收的訊號強度來估計使用條件。

在手機中，通常根據目前正在使用的工作頻段或頻率範圍來確定調諧器狀態。但是，也可使用感測器回饋將調諧狀態設置為其他值以提高效能。例如，可根據使用條件將串聯可調諧電容的電容值設置為其他值(圖21)。

並非所有使用條件都能使用感測器來識別，並且始終存在感測器無法準確感測特定條件的可能性。因此，可使用回饋機制來偵測天線阻抗以及正向和反射訊號功率。然後，使用該資訊將調諧器設成最佳狀態，從而涵蓋廣泛的使用條件，並極大地降低出錯的可能性。

活用阻抗調諧器解決天線效率問題

阻抗調諧器是能夠解決行動裝置中日益複雜的RF所引起的天線效率問題的關鍵解決方案。透過增加RFFE和天線之間傳輸的RF功率，阻抗調諧器可幫助智慧手機製造商最大限度地提高不同應用和頻段範圍的效能。因此，製造商在越來越多的行動裝置中整合阻抗調諧器，尤其是向5G過渡的情況下。

(本文由Qorvo提供)