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引言 目前無線產品的設計原理涉及將功率放大器(PA)和低噪聲放大器(LNA)設計為具有獨立于天線的50Ω阻抗，而天線也被盡可能設計為在所需的頻帶上具有 50Ω阻抗。對于將兩者集成到一個模塊中的情況，即使在理想的自由空間條件下，仍然會導致較差的性能。集中多個無線應用在單個設備中需要天線在較多頻帶上操作，因此會影響性能。此外，最新的變形手機設計趨勢對天線有不利的影響。這些變形手機包括滑蓋手機和旋轉手機，需要天線在所有位置工作。最重要的因素是，天線的阻抗取決于同其他導體和電介質的接近程度。對于蜂窩產品而言，最常見的導體和電介質是用戶的手和頭。然而，在將電話用作調制解調器時，無線數據應用將其他導體和電介質引入到天線環境，諸如木質和金屬桌面。這些天線環境因素通過吸收和反射兩種途徑影響其性能。 兩種常見的解決反射效應的方法是使用負載不敏感PA或連續可調諧天線。但其缺點是：盡管負載不敏感PA能將性能提高到4:1電壓駐波比(VSWR)失配，可是用于收發信機的接收機部分的噪聲源不敏感LNA不是標準供貨產品；連續可調諧天線在實驗室環境中提供了信道帶寬上的理想調諧，但這是以物料成本增加和電路板面積變大為代價的。 折衷的解決方案 本文提出了一種折衷的解決方案，該方案在實現完整解決方案的最大利益，即為幾乎所有阻抗提供匹配的同時，僅需較少的電路和較少的電路板面積。目前已經開發出了將PA和前端模塊RF電子裝置并入天線內部的蜂窩無線電天線模塊。針對天線負載條件使天線和RF電路之間實現最佳匹配。對于處理天線經歷不同負載條件的可調諧匹配電路，這是一種低成本的方法。該方法可使這些阻抗匹配達到20dB的良好的回波損耗，但不具備理想的50Ω阻抗。同時，該方法不能使所有的可能阻抗匹配達到良好的回波損耗，但可使天線在上述多種嚴酷環境條件下經歷的阻抗匹配。這將實現理想的50Ω阻抗可調諧電路的大部分性能的提高，同時可顯著減少成本，即電路板面積、軟件開發成本和BOM。 已開發的可調諧匹配電路可使最嚴酷應用條件下天線的阻抗匹配達到良好的回波損耗。如圖1所示，針對該電路進行仿真以觀察能夠達到的不同阻抗匹配等級，即20dB和理想50Ω的阻抗范圍。 
圖1 簡單的單調諧元件匹配電路的范圍 圖2所示為該范圍的6個應用條件下的天線阻抗。
圖2 具有附加的天線阻抗的調諧電路范圍 這6個條件均得到該可調諧匹配電路的良好處理。然而，不同于使用較復雜和昂貴的可調諧匹配電路，在另外兩個條件下放棄了20dB的匹配標準。在高頻帶和低頻帶上對超過20個不同的條件進行了測試。 可調諧匹配電路的帶寬容量 其中所關注的第一個指標是可調諧匹配電路的帶寬容量。出于兩個原因可確認該指標是重要的。第一個原因在于蜂窩接收機。盡管自適應調諧是針對移動設備的發射機工作的，但其不能降低接收機的性能。接收機工作于全球移動通信系統(GSM)應用中的不同頻帶。第二個考慮是W-CDMA、WiMAX或WLAN等的寬帶調制應用。 如圖3所示，簡單的低成本單調諧元件匹配電路具有大的帶寬容量，該電路在理論上能同時覆蓋DCS 1800和PCS 1900頻帶，如圖3左上角的曲線所示。然而，實際上如圖3下面的兩個曲線所示，利用該單調諧元件匹配電路可以使完整的DCS或PCS頻帶上的回波損耗提高10dB。
圖3 GSM高頻帶下的調諧電路回波損耗性能的改善 這產生兩個主要結果。第一個結果上面已經提到。該電路呈現出可處理寬帶寬信號的能力，即1.75GHz或1.88GHz處的100MHz信號。第二結果涉及方案實現。跨頻譜所需的調諧區別不大。這意味著在切換或其他頻率變化過程中不需要手機對調諧電壓進行大的調整，因此可顯著減少對控制環路動態響應的考慮。不需要考慮控制環路在進行調整時會在部分突發過程中偏轉到較差的調諧電壓。 圖4所示為GSM低頻帶的情況，盡管沒有必要，但在理論上可同時覆蓋完整的800MHz和900MHz頻帶。
圖4 GSM低頻帶下的調諧電路回波損耗性能的提高 雖然該低頻帶的性能提高低于高頻帶的性能提高，但仍然是有利的。然而，利用簡單的單調諧元件匹配電路可使完整的800MHz GSM或900MHz GSM頻帶的回波損耗性能提高超過5dB。而且，圖4中示出的金屬元件不是天線。在該情況中天線位于電話/塑料機殼內部。該金屬元件是平衡-非平衡 (BALUN)器件。BALUN可消除導線效應或自導線輻射的電流。 將天線置于面對遠離頭部方向的手機頂部且將手放在手機上面時，呈現出PA的所有可能阻抗。這些阻抗是在調諧過程中由施加到調諧元件的調諧電壓生成的所有可能阻抗。當環路檢測到好的匹配條件時，該環路將停止工作，因此該環路并未調諧到每個上述調諧電壓。此外，在切換時可能發生的跳頻過程中，相同條件下該環路將不會過度調節電壓。然而，在該條件下呈現給PA的最差情況是3dB的回波損耗。由于匹配電路在任何調諧電壓下均不會超過該值，因此該控制環路將不再呈現該最差阻抗。這不會影響商用功率放大器在所有相位角下能承受10:1 VSWR。此外，該控制環路可被設計為具有兩個環路動態響應，可首先使用快速環路尋找好的回波損耗，隨后該環路可以切換到較慢的響應。 RF性能 盡管實現了回波損耗的改善，但設計者最關心的是整體RF的性能。調諧電路必須提高天線和功率放大器系統的整體效率，同時保持或改善線性性能。通過在調諧元件上設定相同的電壓并且使用導線連接功率放大器和可調諧匹配電路，測量調諧電路后面的天線阻抗。測試結果表示，在所有功率電平下，回波損耗和整體效率都有明顯改善，且具有相同或更好的線性。相同的技術可用于如3G數據蜂窩應用的其他線性調制技術。本文的思路是使調諧電路簡單化和小型化。這對于3G應用也有相同作用，且能擴展到包括用于線性控制的諧波調諧，使這些應用具有更高的效率。 最后，在有調諧和無調諧情況下在天線測量室中使用仿真的頭和手檢驗性能。該測量室需要連續信號，而功率放大器不能承受高功率電平下的連續操作。這需要降低輻射功率電平，而在該條件下，調諧性能改善并不明顯。然而，在三種測試情況中仍然得到1dB的整體效率提高，如表1所示。 表1 有調諧和無調諧的結果對比
調諧元件特性 最后的考慮是匹配電路中使用的調諧元件。如果對該元件的要求過于苛刻以致難以實現，則使該解決方案的成本太高而受到限制。表2給出調諧元件的性能。 表2 調諧元件特性
調諧電路拓撲需要略低于10:1的調諧范圍，這限制了供貨商的范圍，但仍然有供貨商能滿足表中所示的范圍要求。所有其他的參數均滿足或優于調諧電路元件以及蜂窩電話語音應用和3G數據應用的要求。此外，調諧元件的頻率范圍和功率容量性能優于表中所示的范圍。表中的限制是由測試設備的限制產生的。 結語 本文給出的簡化可調諧匹配電路能在蜂窩應用的多種嚴酷的環境條件下改善由天線帶給PA的回波損耗。相對于能夠將幾乎任何阻抗匹配到理想的50Ω阻抗的較昂貴的、較大的可調諧系統，該簡化的可調諧電路僅使用一個可調諧元件即可實現該可調諧系統的大部分性能，同時可降低成本和尺寸。此外，該電路具有適用于 GSM以及寬帶調制系統的足夠的帶寬容量。RF性能測試表明該電路可以在多種嚴酷的測試條件下顯著提高效率，同時保持良好的線性性能。在頭和手阻擋的條件下執行測試時，該調諧技術還可用于滿足連接到單個天線的多個無線應用的寬帶工業需求。能夠匹配多個頻帶的特性，即使在自由空間條件下，也能降低天線的回波損耗。最后，即使在無調諧情況下，同時設計天線和功率放大器仍有利于控制接口阻抗。這對于諧波而言特別重要。 作者： Antenova公司RF技術總監 Mike Gaynor 來源:電子設計應用2009年第11期 |
