【導(dǎo)讀】天線調(diào)諧要求的源阻抗和負載阻抗共軛匹配，從無線技術(shù)誕生開始一直延續(xù)至今，而今已經(jīng)演變成一種新的、更具挑戰(zhàn)性的形式。
所謂的天線調(diào)諧的需求(通過調(diào)整天線本身或通過功率放大器輸出與天線之間的匹配)幾乎與無線技術(shù)本身一樣古老。即使在早期的時候，電磁理論和動手實際試驗也都表明，通過多個參數(shù)測量的有效功率傳輸和最佳天線性能，要求源阻抗和負載阻抗為共軛匹配。
這個問題并沒有消失，而是演變成一種新的、更具挑戰(zhàn)性的形式。按照慣例來說，天線匹配電路會被內(nèi)置于更小、更低功率的射頻設(shè)計中。而在其他情況下，它們也被組合為外置模塊單獨售賣。這是由于數(shù)十、數(shù)百甚至數(shù)千瓦的高額定功率，以及數(shù)十或數(shù)百兆赫茲的較低頻率，需要更大的物理尺寸。
這些外部調(diào)諧器中有一些專為單頻段設(shè)計，而另一些則用于多頻段用例，例如一些業(yè)余無線電愛好者的設(shè)備，它們具有前面板切換器，可以針對使用中的不同頻段調(diào)整設(shè)置(圖1)。
圖1這種可變的L形網(wǎng)絡(luò)隨機線天線調(diào)諧器是設(shè)計用于在2至30MHz范圍內(nèi)手動匹配發(fā)射器的低輸出阻抗(最高200W)與隨機線的高阻抗。圖片來源：MFJ
其中許多是一次性的手工作品，用巧妙的形式結(jié)合了所需的功能(圖2)。
圖2許多業(yè)余無線電愛好者更喜歡根據(jù)他們感興趣的頻段和功率水平，來設(shè)計和制造他們自己的天線匹配單元，例如這個覆蓋3到30MHz并能處理最高150W的天線匹配單元。圖片來源：http://pa-11019.blogspot.com/2011/
較新的天線調(diào)諧器則采用內(nèi)部處理器進行自主自控的自動調(diào)諧，或允許外部PC通過USB端口進行調(diào)諧。
新應(yīng)用，新方法
但時代已經(jīng)變了。現(xiàn)在，調(diào)諧的爭斗已經(jīng)圍繞4G甚至5G支持多頻段和嵌入式天線的手機展開，例如廣泛使用的平面倒F天線(PIFA)。智能手機是工作在千兆赫茲以上且具有多個頻段的相對低功耗的設(shè)備，必須支持無縫切換。其相關(guān)的LC值很小，這在某些方面簡化了挑戰(zhàn)，但也在其他方面增加了難度。
使情況復(fù)雜化的是，匹配值不是靜態(tài)的，而是在日常使用中隨著用戶手位置和角度的改變，以及手機相對于頭部和身體移動而動態(tài)變化的。顯然，期望用戶自己調(diào)整和優(yōu)化使用中的天線匹配電路是不可能的。
幸運的是，現(xiàn)在可以通過天線調(diào)諧器IC來解決這一難題。這些IC可以通過對多達16個電容值進行數(shù)字設(shè)置來解決這個問題，從而改變電氣特性，使其剛好滿足優(yōu)化匹配或足夠接近。這些供應(yīng)商包括Peregrine Semiconductor(PE64909)、Qorvo(QM13025)、Skyworks Solutions(SKY59272-707LF)和Infineon(BGSC2341ML10)。
與具有數(shù)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(diào)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(shù)字可調(diào)電容器(圖3)。
圖3 PE64909天線調(diào)諧器IC功能和原理圖都很簡單(上圖)，但其等效電路模型較為復(fù)雜(下圖)。資料來源：Peregrine Semiconductor
在運行中，系統(tǒng)處理器可以使用四位代碼通過其3線(SPI兼容)串行接口選擇16個電容值中的一個，分流器配置0.6pF至2.35pF(3.9:1調(diào)諧比)，分立117fF步長。動態(tài)范圍和小步長顯然很是審慎，但對于應(yīng)用來說已經(jīng)足夠了。
Qorvo指出，有兩種方法可以使用電容來進行天線調(diào)諧(圖4)。
圖4天線調(diào)諧可以通過孔徑調(diào)諧或阻抗調(diào)諧來完成，每種調(diào)諧在屬性和功能上都有不同的權(quán)衡。圖片來源：Qorvo
孔徑調(diào)諧從天線終端的空閑空間中優(yōu)化天線總效率,可以跨多個頻段優(yōu)化天線效率?？讖秸{(diào)諧對發(fā)射和接收通信應(yīng)用的天線效率都會產(chǎn)生很大影響,根據(jù)不同的應(yīng)用,總輻射功率(TRP)和總?cè)蜢`敏度(TIS)可提高3dB甚至更多。
阻抗調(diào)諧最大限度地提高射頻前端與天線之間的功率傳輸,并通過最小化天線與天線前端之間的失配損耗來增加TRP和TIS。阻抗調(diào)諧還有助于補償環(huán)境影響,如一個人的手在智能手機上的位置。
天線調(diào)諧之外
根據(jù)Qorvo的說法：“如今，孔徑調(diào)諧是手機中用來克服天線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(diào)諧的組合來支持不斷擴大的頻段范圍，尤其是5G?！?/p>
這些IC在某種程度上類似于廣泛使用的數(shù)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(dāng)寬的千歐姆單位范圍內(nèi)，并且相對步長更大。所有這些讓我很好奇，商用數(shù)字電感器是否也會很快面世。
除了天線調(diào)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(xiàn)實存在的，因為最初針對一類特點情況的組件很快就會被采用適應(yīng)解決其他問題。
也許這些可調(diào)諧的皮法電容器會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(yīng)。它們也可能會在某些單臂電橋類型的設(shè)備中用于精確校準(zhǔn)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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