為使智能手機在不斷增加的 RF 頻段范圍內高效工作并支持向 5G 過渡，天線孔徑調諧至關重要。智能手機需要更多天線來支持不斷增加的 RF 要求（例如新的 5G 頻段、MIMO 和載波聚合），但是由于智能手機工業設計的變化，提供給這些天線的可用空間卻很小。因此，天線變得越來越小，這可能會降低天線的效率和帶寬。

利用孔徑調諧技術可以解決這一問題，通過對天線進行調諧，就能夠在多個頻段高效運行，并使 Tx 和 Rx 的性能提高 3 dB?？讖秸{諧通過可調諧電容或調諧器開關配合調諧組件來實現；低 RON 和低 COFF 的開關是獲得最大效率的關鍵所在?？讖秸{諧技術還支持天線同時在多個頻段通信以支持載波聚合。實現孔徑調諧需要深入了解如何針對每個應用運用該技術。

//引言//

天線效率在智能手機的整體 RF 性能中發揮著至關重要的作用。然而，當前的 RF 需求（尤其是即將過渡至 5G）以及智能手機工業設計的廣泛趨勢，意味著智能手機必須要將更多的天線安裝到更小的空間內。

因此，天線尺寸不斷縮小，這會降低天線效率。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、數據速率降低以及出現連接問題。

更高的數據速率意味著更多的天線

向 5G 過渡意味著不斷提高數據速率，這將使每部手機中的天線數量大幅增加。

實現更高數據速率的兩項主要技術為載波聚合 (CA) 和多輸入多輸出 (MIMO)，它們都需要多個天線同時運行。5G 將進一步推動這一趨勢，因為 5G 要求支持四個獨立的下行信道同時接收大多數頻段的信號。它還要求手機帶有至少四個可用于移動通信的天線。

與此同時，手機天線需要支持更寬的頻段范圍，這在很大程度上是由于引入了新的 5G 頻段。5G 手機可能需要支持低至 600 MHz 到高達 6 GHz 的頻率范圍。

為了支持這些要求以及 Wi-Fi、GPS 與藍牙，天線的典型數量將從如今 LTE 手機中的 4-6 個增加到 5G 智能手機中的 6-10 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。

更多更小的天線面積=更嚴峻挑戰

圖 1. 隨著向 5G 過渡，為了支持新的頻段以及 MIMO 和 CA 的要求，天線數量不斷增

1、天線面積減少

隨著制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，這個問題愈發嚴重。其中一項重大變化是改用全屏手機，顯示屏幾乎占據了手機的整個正面；因此，在屏幕之外可供天線使用的空間更少。制造商還增加了更多的攝像頭，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 顯示采用全屏設計時，天線效率如何隨著手機頂部的輻射元件與地（位于屏幕邊緣）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響應漂移。

2、理想天線的仿真性能

圖 2. 全屏智能手機設計使天線的可用面積縮小、效率降低。

3、天線性能權衡三角形

圖 3 的天線“權衡三角形”顯示了天線尺寸縮小對效率和帶寬的影響。如果天線尺寸保持不變，則可以通過犧牲效率以換取更寬的帶寬。

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，同時還支持更寬的頻段范圍。但隨著天線尺寸縮小，這種權衡方案就行不通了；在新的全屏設計中，天線只能在較窄的頻率范圍內達到所需的效率水平。

因此，為了滿足目前手機設計需支持的寬頻率范圍，必須進行天線調諧，以便在每個頻率均實現高效工作。

圖 3. 天線性能權衡三角形

孔徑調諧：開關調諧

目前，為了克服因天線面積和效率降低所導致的問題，手機中主要采用孔徑調諧法。隨著向 5G 過渡，使智能手機支持不斷擴大的頻段范圍至關重要。

孔徑調諧對發射和接收通信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 3 dB 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，以匹配手機通信當前使用的頻率。

在開關和輻射元件之間添加不同的調諧組件（電容或電感），可進一步調節諧振頻率，以支持不同的頻段。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 中的每個組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），可以使用更復雜的多擲開關來連接多個調諧組件，支持更寬的頻段范圍。

圖 4. 孔徑調諧

1、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 nH 的電感，因為其自諧振頻率較低。此外，由于 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，使諧振處于蜂窩網絡頻率范圍內。

使用低于 0.5 pF 的電容值很可能意味著選擇的組件具有高容差。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。

2、布局和設計指南

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。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，需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。

考慮重點：

1減少短接，因為它們可能導致信號完整性問題。2減少走線寬度突然變化的設計，例如 90 度彎曲。最好采用平滑過渡的方式。（參見圖 5）3優化焊盤尺寸和位置，因為它們會增加寄生電容。4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響應的影響。5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。6

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。

–將過孔放在接地焊盤中并用環氧樹脂進行填充。

–使用一個或多個過孔來降低電感和電阻。

7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噪聲耦合并改善調諧器的線性度。8在所有 RF 組件周圍提供足夠的離地間隙。盡量不要將地靠近 RF 端口放置，因為這會增加寄生電容。（參見圖 6）9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噪聲會耦合到天線上。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。10長度超過 5 mm 的電源線走線需使用鐵氧體磁珠或扼流圈。

圖 6. 電感與地和組件。

避免：

? 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并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。

3、調諧天線以支持多個頻率范圍

一個天線擁有多個固有諧振頻率。它們之間為諧波關系：例如，天線的諧振頻率可以是 900 MHz、1800 MHz（二次諧波）、2700 MHz（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，單個天線就能夠支持分布在非常寬的頻譜范圍內的多個頻段。

圖 7 顯示了這一工作原理。每個諧振頻率沿天線具有不同的電壓分布。電壓分布模式隨天線類型而不同；圖 7 顯示了一個示例。

圖 7. 一個天線在不同諧振頻率下的電壓分

可針對這些諧振頻率中的每個頻率獨立調諧，只需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。

只需沿天線的不同位置放置多個開關，并使用多個調諧組件搭配每個開關，單個手機天線就能夠支持非常寬范圍的低頻段、中頻段和高頻段（圖 8）。

圖 8. 在多個位置放置調諧開關，單個天線就能夠支持寬范圍的低頻段、中頻段和高頻段。