RF手机天线仿真介绍（二）：孔径调谐和阻抗调谐

简介

由于手机运行所需的频段、功能和模式的数量不断增加，现代手机的 RF 前端 (RFFE) 设计也日益复杂。需要采用更多天线，使用载波聚合 (CA)、4x4 MIMO、Wi-Fi MIMO 和新的宽带 5G 频段来提供更高的数据速率，因此智能手机中的天线数量从 4-6 个增加到 8 个或更多。
与此同时，可用于移动系统天线的空间缩小，导致天线效率降低。通过天线调谐可以恢复一些损失性能。若不实施调谐，天线在有限的频率范围内可以实现出色性能，但是增加天线调谐则可以在更广泛的频率范围内实现更优化的性能。
天线调谐系统，例如阻抗调谐器和孔径调谐器，可以支持 LTE 智能手机要求的更高带宽和载波聚合。它们使天线在整个 LTE 和 5G 频段（从 600 Mhz 到 5 Ghz）范围内都能高效工作，同时还能节省电池电量，实现纤薄的手机设计。

孔径调谐

孔径调谐能调节天线的电长度，可将其谐振点切换到所需支持的工作频段。一个典型的孔径调谐的示意图如下所示：

对应的仿真模型如下所示，其中红色部分为调谐电容：

调谐电容对天线回波损耗的影响如下所示：

调谐电容对天线的效率影响如下所示：

阻抗调谐

阻抗调谐将天线的阻抗与射频前端的阻抗匹配，从而优化传送到天线的功率。一个典型的阻抗调谐示意图如下所示：

对应的仿真模型如下所示，其中红色部分为电容，蓝色部分为电感：

阻抗调谐，电容电感对回波损耗的影响示意图如下所示：

阻抗调谐，电容电感对天线效率的影响示意图如下所示：

孔径调谐较为简单，可以对单一频带进行调谐，阻抗调谐较为复杂，需要较为复杂的阻抗匹配网络，但是可以扩展天线的工作带宽。目前，为了克服因天线面积和效率降低所导致的问题，手机中主要采用孔径调谐法。中高档智能手机使用孔径和阻抗调谐组合方法，以支持不断扩大的频段范围，尤其是5G应用。

孔径调谐组件选择分析

在开关和辐射元件之间添加调谐组件（电容或电感），可进一步调节谐振频率，以支持 LTE 和 5G 频段。下图显示了开关断开、导通时以及在电路中添加电感或电容时天线的谐振频率。一个典型的多调谐组件的示意图如下所示：

各种调谐组件对天线回波损耗的影响如下所示：

各种调谐组件对天线效率的影响如下所示：

如上所示，调谐电容可以使得天线的谐振频率向低频方向偏移，调谐电感可以使得天线的谐振频率向高频方向偏移。