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数字电容器 IC 如何简化天线调谐?

2022-12-14 15:56:23 BILL SCHWEBER 阅读:
天线调谐要求的源阻抗和负载阻抗共轭匹配,从无线技术诞生开始一直延续至今,而今已经演变成一种新的、更具挑战性的形式。

所谓的天线调谐的需求(通过调整天线本身或通过功率放大器输出与天线之间的匹配)几乎与无线技术本身一样古老。即使在早期的时候,电磁理论和动手实际试验也都表明,通过多个参数测量的有效功率传输和最佳天线性能,要求源阻抗和负载阻抗为共轭匹配。SEvednc

这个问题并没有消失,而是演变成一种新的、更具挑战性的形式。按照惯例来说,天线匹配电路会被内置于更小、更低功率的射频设计中。而在其他情况下,它们也被组合为外置模块单独售卖。这是由于数十、数百甚至数千瓦的高额定功率,以及数十或数百兆赫兹的较低频率,需要更大的物理尺寸。SEvednc

这些外部调谐器中有一些专为单频段设计,而另一些则用于多频段用例,例如一些业余无线电爱好者的设备,它们具有前面板切换器,可以针对使用中的不同频段调整设置(图1)。SEvednc

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图1这种可变的L形网络随机线天线调谐器是设计用于在2至30MHz范围内手动匹配发射器的低输出阻抗(最高200W)与随机线的高阻抗。图片来源:MFJ SEvednc

其中许多是一次性的手工作品,用巧妙的形式结合了所需的功能(图2)。SEvednc

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图2许多业余无线电爱好者更喜欢根据他们感兴趣的频段和功率水平,来设计和制造他们自己的天线匹配单元,例如这个覆盖3到30MHz并能处理最高150W的天线匹配单元。图片来源:http://pa-11019.blogspot.com/2011/SEvednc

较新的天线调谐器则采用内部处理器进行自主自控的自动调谐,或允许外部PC通过USB端口进行调谐。SEvednc

新应用,新方法

但时代已经变了。现在,调谐的争斗已经围绕4G甚至5G支持多频段和嵌入式天线的手机展开,例如广泛使用的平面倒F天线(PIFA)。智能手机是工作在千兆赫兹以上且具有多个频段的相对低功耗的设备,必须支持无缝切换。其相关的LC值很小,这在某些方面简化了挑战,但也在其他方面增加了难度。SEvednc

使情况复杂化的是,匹配值不是静态的,而是在日常使用中随着用户手位置和角度的改变,以及手机相对于头部和身体移动而动态变化的。显然,期望用户自己调整和优化使用中的天线匹配电路是不可能的。SEvednc

幸运的是,现在可以通过天线调谐器IC来解决这一难题。这些IC可以通过对多达16个电容值进行数字设置来解决这个问题,从而改变电气特性,使其刚好满足优化匹配或足够接近。这些供应商包括Peregrine Semiconductor(PE64909)、Qorvo(QM13025)、Skyworks Solutions(SKY59272-707LF)和Infineon(BGSC2341ML10)。SEvednc

与具有数十皮法甚至扩展到微法范围的电容低频匹配电路不同,这些IC能够调整非常小的电容偏移。例如,Peregrine Semiconductor的PE64909器件就是一种用于100-3000MHz的数字可调电容器(图3)。SEvednc

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图3 PE64909天线调谐器IC功能和原理图都很简单(上图),但其等效电路模型较为复杂(下图)。资料来源:Peregrine SemiconductorSEvednc

在运行中,系统处理器可以使用四位代码通过其3线(SPI兼容)串行接口选择16个电容值中的一个,分流器配置0.6pF至2.35pF(3.9:1调谐比),分立117fF步长。动态范围和小步长显然很是审慎,但对于应用来说已经足够了。SEvednc

Qorvo指出,有两种方法可以使用电容来进行天线调谐(图4)。SEvednc

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图4天线调谐可以通过孔径调谐或阻抗调谐来完成,每种调谐在属性和功能上都有不同的权衡。图片来源:QorvoSEvednc

  • 孔径调谐从天线终端的空闲空间中优化天线总效率,可以跨多个频段优化天线效率。孔径调谐对发射和接收通信应用的天线效率都会产生很大影响,根据不同的应用,总辐射功率(TRP)和总全向灵敏度(TIS)可提高3dB甚至更多。
  • 阻抗调谐最大限度地提高射频前端与天线之间的功率传输,并通过最小化天线与天线前端之间的失配损耗来增加TRP和TIS。阻抗调谐还有助于补偿环境影响,如一个人的手在智能手机上的位置。

天线调谐之外

根据Qorvo的说法:“如今,孔径调谐是手机中用来克服天线面积和效率降低的主要方法。中高端智能手机使用孔径和阻抗调谐的组合来支持不断扩大的频段范围,尤其是5G。”SEvednc

这些IC在某种程度上类似于广泛使用的数字电位器(digipots),不同之处在于它们通常具有256步或更多步,分布在相当宽的千欧姆单位范围内,并且相对步长更大。所有这些让我很好奇,商用数字电感器是否也会很快面世。SEvednc

除了天线调谐之外,我认为富有创造力的工程师已经在研究这些组件,并为它们寻找一些意想不到的用途。从历史上看,这是现实存在的,因为最初针对一类特点情况的组件很快就会被采用适应解决其他问题。SEvednc

也许这些可调谐的皮法电容器会被用于补偿或消除平衡拓扑或者差分拓扑中的电路寄生效应。它们也可能会在某些单臂电桥类型的设备中用于精确校准和测量——你永远想象不到。SEvednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Planet Analog,参考链接:How digital capacitor ICs ease antenna tuning,由Ricardo Xie编译。)SEvednc

责编:Ricardo
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