數位電容器IC如何簡化天線調諧?

作者 : Bill Schweber,Planet Analog

您使用過這些天線調諧器 IC 嗎?您是否知道使用這些元件來解決問題的其他非主流用途?例如只需添加適量的微小電容即可改善電路或系統性能?

所謂的「天線調諧」(antenna tuning)需求——無論是藉由調整天線本身或透過功率放大器輸出與天線之間的匹配,幾乎都與無線技術本身一樣古老。即使是在早期,電磁理論和手作實務試驗都顯示,經由多項參數測量的有效功率傳輸和最佳天線性能,要求來源阻抗和負載阻抗為共軛複數(complex conjugates)。

這個問題並沒有消失,而是演變成一種更具挑戰的新形式。按照慣例來說,天線匹配電路會被內建於更小、更低功率的射頻(RF)設計中。而在其他情況下,它們也被組合為外接模組單獨售賣。這是由於數十、數百甚至數千瓦(W)的高額定功率,以及數十或數百兆赫茲(MHz)的較低頻率,需要更大的實體尺寸。

這些外部調諧器中有些專為單頻段設計,而另一些則用於多頻段用例,例如業餘無線電愛好者的設備,它們一般都具有前面板切換器,可以針對使用中的不同頻段調整設置(1)。

How digital capacitor ICs ease antenna tuning

1:這種可變的L形網路隨機線天線調諧器設計用於2-30MHz範圍,以手動匹配發射器的低輸出阻抗(最高200W)與隨機線的高阻抗。(圖片來源:MFJ Enterprises

其中許多是一次性的手工作品,巧妙地結合了所需的功能(2)。

How digital capacitor ICs ease antenna tuning

2:許多業餘無線電愛好者更喜歡根據感興趣的頻段和功率級,設計和製造自家的天線匹配單元,例如這個覆蓋3-30MHz並能處理最高150W的天線匹配單元。(圖片來源:http://pa-11019.blogspot.com/2011/

較新的天線調諧器採用內部處理器進行自主自控制的自動調諧,或允許外部PC透過USB埠進行調諧。

新應用,新方法

但時代已經變了。現在,調諧之戰已經圍繞4G甚至支援多頻段和嵌入式天線的5G手機展開,例如廣泛使用的平面「倒F型」天線(PIFA)。智慧型手機是工作在GHz以上且具有多個頻段的相對低功耗裝置,必須可支援無縫切換。其相關的LC值很小,這在某些方面簡化了挑戰,但也在其他方面增加了難度。

使情況更複雜的是,匹配值並不是靜態的,而是在日常使用中隨著用戶的手在位置和角度的改變,以及手機相對於頭部和身體移動而動態變化的。顯然地,期望使用者自己調整和最佳化使用中的天線匹配電路是不可能的。

所幸現在可以透過天線調諧器IC來解決這一難題。這些IC可以透過對多達16個電容值進行數位設置來解決這個問題,從而改變電氣特性,使其剛好滿足最佳化匹配或足夠接近。這些供應商包括Peregrine Semiconductor (PE64909)、Qorvo (QM13025)、Skyworks Solutions (SKY59272-707LF)和Infineon (BGSC2341ML10)。

相較於具有數十皮法(pF)甚至擴展到微法(μF)電容的低頻匹配電路,這些IC能夠調整非常小的電容偏移。例如,Peregrine Semiconductor的PE64909元件就是一種用於100-3000MHz的數位可調電容器(3)。

How digital capacitor ICs ease antenna tuning

3PE64909天線調諧器IC功能和原理圖都很簡單(上圖),但其等效電路模型較為複雜(下圖)。(資料來源:Peregrine Semiconductor

在運行中,系統處理器可以使用四位元程式碼,透過其3線(SPI相容)序列介面選擇16個電容值之一,以117fF離散式步長配置0.6pF至2.35pF(3.9:1調諧比)。動態範圍和小步長顯然較審慎,但對於應用來說已經足夠了。

Qorvo指出,有兩種方法可以使用電容來進行天線調諧(4)。

How digital capacitor ICs ease antenna tuning

4:天線調諧可以透過孔徑調諧或阻抗調諧來完成,每種調諧在屬性和功能上都有不同的權衡。(圖片來源:Qorvo

孔徑調諧從天線終端的自由空間中最佳化天線總效率,而且可以跨多個頻段最佳化天線效率。孔徑調諧對發射和接收通信應用的天線效率都會產生很大影響,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。

  • 孔徑調諧從天線終端的自由空間中最佳化天線總效率,而且可以跨多個頻段加以實現。它還可以為發射和接收通訊應用提供天線效率方面的優勢,根據不同的應用情境將總輻射功率(TRP)和總全向靈敏度(TIS)提高3dB甚至更多。
  • 阻抗調諧最大限度地提高RF前端與天線之間的功率傳輸,並透過最小化天線與天線前端之間的不匹配損耗來增加TRP和TIS。阻抗調諧還有助於補償環境影響,如一個人的手在智慧型手機上的位置。

天線調諧之外

根據Qorvo的說法:「如今,孔徑調諧是手機中用來克服天線面積和效率降低的主要方法。中高階智慧型手機使用孔徑和阻抗調諧的組合來支援不斷擴大的頻段範圍,尤其是5G。」

這些IC在某種程度上類似於廣泛使用的數位電位器(digipot),不同之處在於它們通常具有256步或更多步,分佈在相當廣泛的kΩ單位範圍內且相對步長更大。這些都讓我很好奇是否商用數位電感器也會很快面世。

除了天線調諧之外,我認為富有創造力的工程師已經在研究這些元件,並為其尋找一些意想不到的用途。從歷史上看,這是現實存在的,因為最初針對某一類特定情況的元件很快就會被採用於解決其他問題。

也許這些可調諧的皮法電容器將會被用於均衡或差分拓撲中,以補償或消除電路寄生效應。它們也可能會用於某些惠斯登電橋(Wheatstone-bridge)類型的設備中實現精確校準和測量——你永遠想像不到。

您使用過這些天線調諧器IC嗎?您是否知道使用這些元件來解決問題的其他非主流用途?例如只需添加適量的微小電容即可改善電路或系統性能?

編譯:Ricardo Xie

(參考原文:How digital capacitor ICs ease antenna tuning,by Bill Schweber)

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