手机自适应天线调谐方案

2009年05月01日 14:05    贾延安
关键词: 调谐 , 方案 , 手机
在蜂窝手机内实现天线调谐的最大障碍是缺少一种损耗低、调谐率高的高性能、可电调谐电抗元件。这种元件的最大挑战是功率处理能力和线性度。作为MEMS和BST方法的一种替代方案,Peregrine Semiconductor采用其UltraCMOS工艺技术和HaRP设计创新,开发了一种已申请设计方法学专利的DuNE技术,来制造实用的数字调谐电容器(DTC)。那么如何利用DuNE技术构建自适应天线调谐器的关键构建模块呢?

如今的手机不仅仅是通话设备,它还必须支持移动电视、蓝牙、WLAN和GPS等应用。由于新特性、新功能以及轻薄短小的工业设计要求,留给手机天线的空间非常有限。天线被裹包在设计内并被施以弯曲布线,因而降低了其效率。幸运地是,这种天线性能损失可以通过天线调谐来补偿,天线调谐利用动态阻抗调谐技术来优化天线性能。

当 无源天线无法满足预期性能要求时,通常采用开环天线调谐系统,对天线在设定频段和工作模式的性能进行微调。这种技术还会把与发射/接收频率、调谐机制或手 机使用状态(滑盖或折叠)等相关的环境因素考虑在内。当设计手机的时候,这些信息被存储在基带存储器内的查找表中。但开环系统不对天线的工作状况进行实时 监测,所以它无法把变化的环境因素考虑在内。

在蜂窝手机内实现天线调谐的最大障碍是缺少一种损耗低、调谐率高的高性能、可电 调谐电抗元件。这种元件的最大挑战是功率处理能力和线性度。用于GSM发射器的天线功率要达到+33dBm,但在不匹配条件下,可调谐元件必须要能处理功 率达+40dBm(30V峰值)的RF信号。

为实现可调谐天线和滤波器,设计人员采用微机电系统(MEMS)和诸如钛酸锶钡(BST)等铁电材料技术进行了实验。虽然这些技术具有很大应用前景,但现在尚不能大批量生产。为解决手机天线的可调谐问题,设计人员需采用经过验证且可立即投入大批量生产的新技术。

手机RF收发器部分的阻抗被设计成50Ω。理想情况下,天线应在整个频段的阻抗都为50Ω。但这种情况几乎不会出现,因为小巧手机的天线与生俱来就具有带宽窄、匹配性能较差、发射效率低等特征。带宽限制迫使手机天线设计人员在整个工作频段内不将天线阻抗目标设定为50Ω。

用 户拿持手机的方式等环境因素也将影响手机天线的阻抗。一般情况下,手机天线工作的电压驻波比(VSWR)小于3.0:1,但当用户的手指放在天线发射器上 时,VSWR会被恶化至9.0:1。考虑到信号链上所有设备都被设计为工作在理想的1.0:1的VSWR,所以即便在开阔无障碍的地方,这种性能恶化的后 果也非常严重。

为满足这些严苛的功率要求,自适应天线调谐也许是唯一选择。这个方法强制天线在怎样环境下都具有50Ω阻抗, 从而使系统其它部分工作在最优状态下。虽然当天线阻抗为50Ω(1.0:1 VSWR)时,天线调谐器将自身的损耗增加到了电路中,但与未经过校正的系统相比,自适应天线调谐技术可以显著降低调谐器输入到天线输入之间的整体插入损 耗,从而提升PA和RF滤波器的性能。

手机天线设计人员面临的另一个挑战是发射和接收的频率不同。多频段天线要求电路在频段边沿具有很好的性能,并能主动跟踪天线的失谐,并在很短的时间对重新将天线调谐到合适的状态。

有 几项技术被建议用作天线调谐方案,包括采用MEMS开关电容和BST电容。不过,采用MEMS和BST技术的主要挑战在于:它们都需要高偏置电压(30V 或更高)才能实现调谐,通常需要一个独立CMOS充电泵和控制芯片。一般无法将这些技术与RF、模拟和数字电路集成在同一裸片上,因此,实现自适应天线调 谐器需要用到多个IC。典型情况下,基于MEMS和BST技术的自适应天线调谐器都是采用多芯片模块(MCM)技术实现的。

作 为MEMS和BST方法的一种替代方案,Peregrine Semiconductor采用其UltraCMOS工艺技术和HaRP设计创新,开发了一种已申请设计方法学专利的DuNE技术,来制造实用的数字调谐 电容器(DTC)(图)。它们带数字控制功能的可变电容器,可满足蜂窝手机天线调谐对低偏置电压、高线性和高调谐精度的要求。该DTC采用倒芯片封装,尺 寸仅1.36×0.81mm。


采用DuNE技术能在单芯片中集成自适应天线调谐器的关键构建模块。

与 体CMOS和绝缘硅(SOI)技术不同,UltraCMOS场效应管(FET)因采用完全绝缘的蓝宝石基底,所以可被堆叠起来处理很大的RF功率。它能 在+20dBm到超过+40dBm的功率范围内进行调谐,能满足GSM和WCDMA手机对功率的要求,而不是降低Q值或调谐率。


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