【導讀】天線(xiàn)調諧要求的源阻抗和負載阻抗共軛匹配，從無(wú)線(xiàn)技術(shù)誕生開(kāi)始一直延續至今，而今已經(jīng)演變成一種新的、更具挑戰性的形式。
所謂的天線(xiàn)調諧的需求(通過(guò)調整天線(xiàn)本身或通過(guò)功率放大器輸出與天線(xiàn)之間的匹配)幾乎與無(wú)線(xiàn)技術(shù)本身一樣古老。即使在早期的時(shí)候，電磁理論和動(dòng)手實(shí)際試驗也都表明，通過(guò)多個(gè)參數測量的有效功率傳輸和最佳天線(xiàn)性能，要求源阻抗和負載阻抗為共軛匹配。
這個(gè)問(wèn)題并沒(méi)有消失，而是演變成一種新的、更具挑戰性的形式。按照慣例來(lái)說(shuō)，天線(xiàn)匹配電路會(huì )被內置于更小、更低功率的射頻設計中。而在其他情況下，它們也被組合為外置模塊單獨售賣(mài)。這是由于數十、數百甚至數千瓦的高額定功率，以及數十或數百兆赫茲的較低頻率，需要更大的物理尺寸。
這些外部調諧器中有一些專(zhuān)為單頻段設計，而另一些則用于多頻段用例，例如一些業(yè)余無(wú)線(xiàn)電愛(ài)好者的設備，它們具有前面板切換器，可以針對使用中的不同頻段調整設置(圖1)。
圖1這種可變的L形網(wǎng)絡(luò )隨機線(xiàn)天線(xiàn)調諧器是設計用于在2至30MHz范圍內手動(dòng)匹配發(fā)射器的低輸出阻抗(最高200W)與隨機線(xiàn)的高阻抗。圖片來(lái)源：MFJ
其中許多是一次性的手工作品，用巧妙的形式結合了所需的功能(圖2)。
圖2許多業(yè)余無(wú)線(xiàn)電愛(ài)好者更喜歡根據他們感興趣的頻段和功率水平，來(lái)設計和制造他們自己的天線(xiàn)匹配單元，例如這個(gè)覆蓋3到30MHz并能處理最高150W的天線(xiàn)匹配單元。圖片來(lái)源：http://pa-11019.blogspot.com/2011/
較新的天線(xiàn)調諧器則采用內部處理器進(jìn)行自主自控的自動(dòng)調諧，或允許外部PC通過(guò)USB端口進(jìn)行調諧。
新應用，新方法
但時(shí)代已經(jīng)變了?，F在，調諧的爭斗已經(jīng)圍繞4G甚至5G支持多頻段和嵌入式天線(xiàn)的手機展開(kāi)，例如廣泛使用的平面倒F天線(xiàn)(PIFA)。智能手機是工作在千兆赫茲以上且具有多個(gè)頻段的相對低功耗的設備，必須支持無(wú)縫切換。其相關(guān)的LC值很小，這在某些方面簡(jiǎn)化了挑戰，但也在其他方面增加了難度。
使情況復雜化的是，匹配值不是靜態(tài)的，而是在日常使用中隨著(zhù)用戶(hù)手位置和角度的改變，以及手機相對于頭部和身體移動(dòng)而動(dòng)態(tài)變化的。顯然，期望用戶(hù)自己調整和優(yōu)化使用中的天線(xiàn)匹配電路是不可能的。
幸運的是，現在可以通過(guò)天線(xiàn)調諧器IC來(lái)解決這一難題。這些IC可以通過(guò)對多達16個(gè)電容值進(jìn)行數字設置來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，從而改變電氣特性，使其剛好滿(mǎn)足優(yōu)化匹配或足夠接近。這些供應商包括Peregrine Semiconductor(PE64909)、Qorvo(QM13025)、Skyworks Solutions(SKY59272-707LF)和Infineon(BGSC2341ML10)。
與具有數十皮法甚至擴展到微法范圍的電容低頻匹配電路不同，這些IC能夠調整非常小的電容偏移。例如，Peregrine Semiconductor的PE64909器件就是一種用于100-3000MHz的數字可調電容器(圖3)。
圖3 PE64909天線(xiàn)調諧器IC功能和原理圖都很簡(jiǎn)單(上圖)，但其等效電路模型較為復雜(下圖)。資料來(lái)源：Peregrine Semiconductor
在運行中，系統處理器可以使用四位代碼通過(guò)其3線(xiàn)(SPI兼容)串行接口選擇16個(gè)電容值中的一個(gè)，分流器配置0.6pF至2.35pF(3.9:1調諧比)，分立117fF步長(cháng)。動(dòng)態(tài)范圍和小步長(cháng)顯然很是審慎，但對于應用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。
Qorvo指出，有兩種方法可以使用電容來(lái)進(jìn)行天線(xiàn)調諧(圖4)。
圖4天線(xiàn)調諧可以通過(guò)孔徑調諧或阻抗調諧來(lái)完成，每種調諧在屬性和功能上都有不同的權衡。圖片來(lái)源：Qorvo
孔徑調諧從天線(xiàn)終端的空閑空間中優(yōu)化天線(xiàn)總效率,可以跨多個(gè)頻段優(yōu)化天線(xiàn)效率?？讖秸{諧對發(fā)射和接收通信應用的天線(xiàn)效率都會(huì )產(chǎn)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3dB甚至更多。
阻抗調諧最大限度地提高射頻前端與天線(xiàn)之間的功率傳輸,并通過(guò)最小化天線(xiàn)與天線(xiàn)前端之間的失配損耗來(lái)增加TRP和TIS。阻抗調諧還有助于補償環(huán)境影響,如一個(gè)人的手在智能手機上的位置。
天線(xiàn)調諧之外
根據Qorvo的說(shuō)法：“如今，孔徑調諧是手機中用來(lái)克服天線(xiàn)面積和效率降低的主要方法。中高端智能手機使用孔徑和阻抗調諧的組合來(lái)支持不斷擴大的頻段范圍，尤其是5G?！?/p>
這些IC在某種程度上類(lèi)似于廣泛使用的數字電位器(digipots)，不同之處在于它們通常具有256步或更多步，分布在相當寬的千歐姆單位范圍內，并且相對步長(cháng)更大。所有這些讓我很好奇，商用數字電感器是否也會(huì )很快面世。
除了天線(xiàn)調諧之外，我認為富有創(chuàng )造力的工程師已經(jīng)在研究這些組件，并為它們尋找一些意想不到的用途。從歷史上看，這是現實(shí)存在的，因為最初針對一類(lèi)特點(diǎn)情況的組件很快就會(huì )被采用適應解決其他問(wèn)題。
也許這些可調諧的皮法電容器會(huì )被用于補償或消除平衡拓撲或者差分拓撲中的電路寄生效應。它們也可能會(huì )在某些單臂電橋類(lèi)型的設備中用于精確校準和測量——你永遠想象不到。
(原文刊登于EDN姊妹網(wǎng)站Planet Analog，參考鏈接：How digital capacitor ICs ease antenna tuning，由Ricardo Xie編譯。)
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