本文作者：佟浩
英飛凌消費、計算與通訊業務大中華區 高級主任工程師
天線作為無線通信系統的一個重要組成部分，廣泛見於當今各種無線訊號收發設備中，從Wi-Fi路由器到5G手機，從藍牙耳機到智能手錶，從NFC刷卡到UWB室內定位。天線將電路板中高頻電流轉換成空間傳輸的電磁波，從而通過空中接口實現訊號的發射和接收。
1. 無線通信系統中的天線與天線調諧
以當前主流5G手機天線為例，多數量、小空間、多頻段、大帶寬乃至外觀纖薄等諸多要求，給移動終端類產品的天線設計帶來極大挑戰。
英飛凌天線調諧產品（Antenna Tuner）幫助客戶在有限的產品設計空間內，提升覆蓋寬頻帶、多頻帶天線的輻射性能（如圖1-1）。
圖1-1 簡化手機無線收發系統中應用天線阻進行抗調諧與口徑調諧
2. 天線口徑調諧 (Aperture Tuning與埠阻抗調諧（Impedance Tuning）
依據經典天線理論，天線的物理尺寸（天線口徑）只有在與其工作波長相接近的條件下，才能夠有效輻射電磁波能量。對於手機、智能手錶、平板電腦等移動終端類產品，天線性能主要受制於如下兩個方面：
• 由於受產品設計空間限制，天線無法在多頻段（或寬頻段）內滿足有效輻射口徑尺寸的要求；
• 天線無法在所有工作頻率範圍內都滿足接近於50Ω的輸入阻抗。
英飛凌天線調諧器件（Antenna Tuner）幫助客戶輕鬆應對消費終端類產品天線設計中的挑戰。通過開關邏輯狀態切換實現不同的容感性調諧，從而改變天線的有效口徑尺寸，優化埠匹配，提升最高至7GHz頻率以下的天線輻射性能。
圖2-1 電小天線調諧應用示意（SPDT 700MHz/1800MHz）
圖2-2 使用英飛凌調諧器件實現多頻段/寬頻段天線口徑性能優化
3. 英飛凌天線調諧器件類型
目前英飛凌天線調諧產品有兩種類型：開關類（Switch Tuner）和可變電容類（C-Tuner），支持GPIO與MIPI RFFE2.1控制接口協議，其中開關類Tuner是英飛凌主要出貨品類，支持1.8V供電，而新近一代產品已支持1.2V/1.8V兩種供電電壓。
4路單刀單擲天線調諧器（4×SPST）
單刀4擲天線調諧器（SP4T）
帶諧振抑制的單刀四擲天線調諧器
（SP4T with Resonance Stopper）
圖3-1 英飛凌開關類天線調諧器的三種類型
3.1 開關類天線調諧器（Switch Tuner）
英飛凌開關類天線調諧器的內部拓撲有三種基本類型（見圖3-1），均可以用作天線口徑調諧與埠匹配。
當4×SPST被用於天線開路端的口徑調諧時，其自身內部損耗往往會略小於SP4T調諧器，從而更有利於對提升天線整體輻射性能。
而相比於4×SPST ，SP4T調諧器的拓撲結構可以串聯或並聯在匹配電路中使用，更靈活地適應埠阻抗匹配。
SP4T內部的諧波抑制開關（RS, Resonance Stopper）可以有效抑制或緩解通路斷開狀態下，與其連接的感性元件（尤其是大感值器件）與開關斷路的寄生電容形成串聯LC諧振，從而可以避免干擾工作頻段內的天線性能。Resonance Stopper對於天線調諧器在多個頻段同時工作的場景尤為重要。
3.2 可變電容式天線調諧器（C-Tuner）
英飛凌可變電容天線調諧器，內置開關與步進式可變電容，同樣大小的封裝尺寸內，實現最小0.2pF電容步進/8狀態的精細化頻率調諧，支持更多天線工作頻段。
圖3-2 英飛凌可變電容天線調諧器 (型號BGSA2341ML10)
4. 天線調諧器的關鍵參數
不同於射頻通路切換開關，天線調諧器一般應用於非50Ω阻抗環境下，因此，相比於傳統射頻開關的S參數（如回波損耗，插入損耗）、P1dB等指標項，Tuner具有其特殊的描述參數。
4.1 最大工作電壓(RF Operating Voltage, VRF)與2/3次諧波(2nd/3rd Order Harmonics, H2, H3）
在移動終端類天線調諧中，基於CMOS-SOI技術的Tuner，本身電流容限值較高，其應用條件常常受限於最大可承受電壓值。如圖4-1，當Tuner被用在高於其最大工作電壓值（VRF）的天線調諧位置時，Tuner將出現明顯的非線性行為，其二次諧波（H2）與三次諧波（H3）都將大幅惡化（如圖4-2），電壓進一步升高或可導致調諧器件擊穿損壞。
圖4-1 天線調諧器的最大工作電壓 (VRF) 和 擊穿電壓（Vpeak）示意圖
圖4-2 天線調諧器的2/3次諧波水平與其工作電壓關係
一般而言，在天線的高阻抗調諧位置附近（如天線開路枝節末端）需要選擇較高工作電壓的產品型號。
英飛凌BGSA144ML10, BGSA400ML10分別為採用1.5mm×1.1mm封裝尺寸的SP4T (Resonance Stopper) 與4×SPST天線調諧器，支持最高80V工作電壓，適用於智慧型手機、智能手錶、筆記本電腦、MIFI等蜂窩天線的多頻調諧。
表4-1 英飛凌高壓（VRF≥80V）天線調諧器
4.2 直流電阻（DC Ron）
在靠近天線電流駐波腹點位置進行天線調諧時，Tuner自身的通路電阻Ron會產生熱損耗，從而降低天線輻射效率。
英飛凌BGSA147ML10, 是採用1.5mm×1.1mm封裝尺寸的SP4T (Resonance Stopper) 天線調諧器，具有0.8Ω極低Ron值，適用於低電壓區域的天線口徑與埠調諧。
英飛凌BGSA148MN10，是英飛凌最新一代是採用1.3mm×0.95mm封裝尺寸的SP4T (Resonance Stopper) 天線調諧器，具有0.8Ω極低Ron值，同時支持1.2V和1.8V兩種供電電壓，適用於低電壓區域的天線口徑與埠調諧。
表4-2 英飛凌低損耗（Ron≤0.8Ω）天線調諧器
4.3 開路寄生電容（Coff）
在調諧器的某一通路或所有通路處於斷開狀態時，考慮到CMOS開關器件的內部結構，實際的閉合通路並非是理想的阻抗無窮大，而是一個等效值約為0.1~0.2pF左右的寄生電容。
在實際的小天線調諧中，小電容經常被用在類似IFA形式天線末端進行調諧。當Tuner的所有通路都處於斷開狀態時，等效的寄生電容值稱為Coff。
當天線調諧器的Coff值與其射頻通路的調諧電容值相接近時，天線調諧通常將會非常敏感，進而無法區分通斷的天線狀態，因此Coff值越小越好。
5. 小結
英飛凌BGSA系列天線調諧產品，適用於多種類型無線終端產品的天線調諧，尤其適合應用於多蜂窩頻段覆蓋。英飛凌BGSA系列天線調諧器，具有高電壓、低阻抗、低電流損耗等性能優勢，可滿足不同場景的電小天線調諧需求，為客戶實現更高效迅捷的天線設計與最佳的輻射性能助力。
附錄：英飛凌天線調諧器主要產品選型概覽
點擊了解產品數據詳情：
BGSA11GN10
BGSA12GN10
BGSA12UGL8
BGSA143GL10
BGSA143ML10
BGSA144ML10
BGSA147ML10
BGSA148MN10
點擊了解產品數據詳情：
BGSA149M2N10
BGSA149MN10
BGSA14GN10
BGSA14M2N10
BGSA200ML9
BGSA20UGL8
BGSA400ML10
BGSA403ML10
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