【導(dǎo)讀】天線調(diào)諧要求的源阻抗和負(fù)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(shí)候，電磁理論和動(dòng)手實(shí)際試驗(yàn)也都表明，通過多個(gè)參數(shù)測(cè)量的有效功率傳輸和最佳天線性能，要求源阻抗和負(fù)載阻抗為共軛匹配。
這個(gè)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(huì)被內(nèi)置于更小、更低功率的射頻設(shè)計(jì)中。而在其他情況下，它們也被組合為外置模塊單獨(dú)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(jì)，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(duì)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(jī)線天線調(diào)諧器是設(shè)計(jì)用于在2至30MHz范圍內(nèi)手動(dòng)匹配發(fā)射器的低輸出阻抗(最高200W)與隨機(jī)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(jì)和制造他們自己的天線匹配單元，例如這個(gè)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(jìn)行自主自控的自動(dòng)調(diào)諧，或允許外部PC通過USB端口進(jìn)行調(diào)諧。
新應(yīng)用，新方法
但時(shí)代已經(jīng)變了?，F(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(jī)展開，例如廣泛使用的平面倒F天線(PIFA)。智能手機(jī)是工作在千兆赫茲以上且具有多個(gè)頻段的相對(duì)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(jī)相對(duì)于頭部和身體移動(dòng)而動(dòng)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(yùn)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(duì)多達(dá)16個(gè)電容值進(jìn)行數(shù)字設(shè)置來解決這個(gè)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(kuò)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(yùn)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(gè)電容值中的一個(gè)，分流器配置0.6pF至2.35pF(3.9:1調(diào)諧比)，分立117fF步長。動(dòng)態(tài)范圍和小步長顯然很是審慎，但對(duì)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(jìn)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(gè)頻段優(yōu)化天線效率。孔徑調(diào)諧對(duì)發(fā)射和接收通信應(yīng)用的天線效率都會(huì)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(bǔ)償環(huán)境影響,如一個(gè)人的手在智能手機(jī)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(jī)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(jī)使用孔徑和阻抗調(diào)諧的組合來支持不斷擴(kuò)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(duì)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(huì)很快面世。
除了天線調(diào)諧之外，我認(rèn)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(shí)存在的，因?yàn)樽畛踽槍?duì)一類特點(diǎn)情況的組件很快就會(huì)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(huì)被用于補(bǔ)償或消除平衡拓?fù)浠蛘卟罘滞負(fù)渲械碾娐芳纳?yīng)。它們也可能會(huì)在某些單臂電橋類型的設(shè)備中用于精確校準(zhǔn)和測(cè)量——你永遠(yuǎn)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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