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優(yōu)化移動天線調(diào)諧的簡易方法

發(fā)布時(shí)間:2023-06-15 來源:Qorvo半導(dǎo)體 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】創(chuàng)建具有多部天線的移動設(shè)備涉及到一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的平衡過程。如果考慮到移動設(shè)備設(shè)計(jì)人員面對的所有因素,那么所需要考量的層面則過于繁雜。首先,移動設(shè)備帶有分別用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)(低、中、高頻段)、Wi-Fi、藍(lán)牙?、超寬帶等多個(gè)頻段的天線;除 RF 的單一范圍外,他們還必須應(yīng)對更豐富功能和更小、更時(shí)尚設(shè)計(jì)間的權(quán)衡。


創(chuàng)建具有多部天線的移動設(shè)備涉及到一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的平衡過程。如果考慮到移動設(shè)備設(shè)計(jì)人員面對的所有因素,那么所需要考量的層面則過于繁雜。首先,移動設(shè)備帶有分別用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)(低、中、高頻段)、Wi-Fi、藍(lán)牙?、超寬帶等多個(gè)頻段的天線;除 RF 的單一范圍外,他們還必須應(yīng)對更豐富功能和更小、更時(shí)尚設(shè)計(jì)間的權(quán)衡。


優(yōu)化移動天線調(diào)諧的簡易方法

圖 1:中、高 Wi-Fi 頻段 Qorvo 天線調(diào)諧器


使用 Qorvo 天線調(diào)諧器有助于優(yōu)化這些頻段中每個(gè)頻段的天線性能;然而,增加調(diào)諧器確實(shí)要以犧牲天線效率為代價(jià)。因此,在設(shè)計(jì)中必須注意保證足夠的天線效率及性能;這樣做需要優(yōu)化 PC 板的布局。Qorvo 提供了豐富的天線調(diào)諧組件選擇,為廣泛的應(yīng)用帶來最佳性能。策略性地安排 Qorvo 天線調(diào)諧器的位置,是為了充分利用其出色的 RF 性能特性來調(diào)諧中高頻段頻譜,并獲得高效率。


如圖 2 所示,兩塊帶有天線和天線調(diào)諧元件的 PC 板總共占用 195mm2 的面積。我們的目標(biāo)是將該面積減少 35%,同時(shí)滿足峰值 RF 性能。下面,我們將解讀如何利用效率與性能間的權(quán)衡來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。


優(yōu)化移動天線調(diào)諧的簡易方法

圖 2:基線中高頻段與 Wi-Fi 天線 vs 占板面積縮減目標(biāo)


中高頻段(MHB)天線本身便是一項(xiàng)艱巨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),而添加 Wi-Fi 2.4GHz 和 5GHz 天線使設(shè)計(jì)變得更加困難,此外還縮減了外形尺寸。因此,其歸根結(jié)底是要采用最佳的元件才能優(yōu)化天線的 PC 板占板面積。


在圖 3 中,我們可以看到 MHB 和 Wi-Fi 天線的 PC 板布局設(shè)計(jì)。這一經(jīng)優(yōu)化的布局設(shè)計(jì)讓尺寸減少 35%,并實(shí)現(xiàn)同類最佳的 RF 信號范圍。下面,讓我們來分析一下移動設(shè)備設(shè)計(jì)師將如何同時(shí)獲得 35% 的尺寸縮減和卓越的智能手機(jī) RF 范圍。


優(yōu)化移動天線調(diào)諧的簡易方法

圖 3:中高頻段和 Wi-Fi 移動天線解決方案


如表 1 所示,每個(gè)調(diào)諧狀態(tài)覆蓋四個(gè)不同的蜂窩頻段。我們設(shè)計(jì)的天線具備 3 個(gè) RF 分支;其針對每個(gè)調(diào)諧狀態(tài)覆蓋四個(gè)蜂窩頻段(MHB),以及 2.4GHz 和 5GHz 的 Wi-Fi 頻段。


需要注意的是,圖 3 所示的設(shè)計(jì)同時(shí)考慮了 MHB 和 Wi-Fi 頻段。其中 1、3、40 和 7 頻段以及 Wi-Fi 頻段均同時(shí)工作;各部天線在每個(gè)蜂窩和 Wi-Fi 切換狀態(tài)下也均能達(dá)到峰值性能,如下表所示。


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表 1:MH 頻段和 Wi-Fi 經(jīng)調(diào)諧后同時(shí)運(yùn)行


下面讓我們仔細(xì)看下 MHB 和 2.4GHz 部分。如圖 4 所示,Qorvo 天線調(diào)諧器用于 MH 和 2.4GHz Wi-Fi 調(diào)諧。調(diào)諧器與電路板的組合布局優(yōu)化了蜂窩及 Wi-Fi 2.4GHz 頻段。


優(yōu)化移動天線調(diào)諧的簡易方法

圖 4:MHB 和 2.4GHz 天線調(diào)諧器及設(shè)計(jì)


U1 連接至這一區(qū)域,以補(bǔ)償由 U2 調(diào)諧器引起的任何變化,從而保持 Wi-Fi 2.4GHz 頻段的諧振。事實(shí)上,天線的這兩個(gè)部分相互依存,二者共同工作以產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)諧的諧振和兩個(gè)恒定諧振,同時(shí)保持兩個(gè)頻段的效率處于峰值狀態(tài)。


該天線結(jié)構(gòu)的第三部分通過金屬導(dǎo)線連接操作——如圖中藍(lán)色虛線框所示。這是一個(gè)覆蓋 Wi-Fi 5GHz 頻段的單極天線(圖 5)。此 PC 板布局覆蓋了 Wi-Fi 5GHz 頻段的大帶寬(5150 至 5850MHz)。


優(yōu)化移動天線調(diào)諧的簡易方法

圖 5:5GHz Wi-Fi 單極天線結(jié)構(gòu)


為減少智能手機(jī)中天線區(qū)域的面積,我們使用了 Qorvo 天線復(fù)用器芯片組,以縮減成本及尺寸;見圖 6。天線復(fù)用器結(jié)合了每個(gè)天線饋送源的三個(gè)不同 RF 信號。這種方法還減少了智能手機(jī)的 RF 輻射面積,從而減輕了干擾;此外,它還將三個(gè)獨(dú)立的輻射器整合至一片很小的 PC 板區(qū)域。


優(yōu)化移動天線調(diào)諧的簡易方法

圖 6:帶天線復(fù)用器的 MH、Wi-Fi 2.4GHz 和 5GHz 天線


使用天線復(fù)用器的主要優(yōu)勢包括:

  • 減少 PCB 尺寸

  • 在所有所需頻段均實(shí)現(xiàn)很高的輻射效率


那么,尺寸的減少和性能的增強(qiáng)是否會提高峰值性能?答案是肯定的;請參見圖 7 —— Qorvo 天線調(diào)諧器和天線復(fù)用器帶來的尺寸縮減使效率得以提升。


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圖 7:MHB 和 Wi-Fi 的效率測量結(jié)果


對擁有更多功能且更小、更時(shí)尚產(chǎn)品的需求,使得智能手機(jī)及其它移動設(shè)備的設(shè)計(jì)變得日趨復(fù)雜。工程師們時(shí)常糾結(jié)于如何在優(yōu)化性能的同時(shí)達(dá)成這些指標(biāo);此外,他們還需要加速推進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)程以滿足公司的上市時(shí)間要求。對此,Qorvo 將助您一臂之力。我們提供技術(shù)支持,以及全新或改進(jìn)的下一代產(chǎn)品。借助天線調(diào)諧器和天線復(fù)用器,加上我們的 PC 板設(shè)計(jì)指導(dǎo),Qorvo 可以幫助您構(gòu)建滿足客戶需求的設(shè)計(jì)。


關(guān)于作者:Mojtaba Zamanifekri,高級天線設(shè)計(jì)工程師


Mojtaba 是移動通信系統(tǒng)的天線解決方案及 RF 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模專家。憑借在電磁學(xué)和 RF 系統(tǒng)領(lǐng)域的綜合知識,他幫助 Qorvo 應(yīng)用團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建最先進(jìn)的天線解決方案,以滿足旗艦智能手機(jī)當(dāng)前和未來的需求。

(來源: Qorvo半導(dǎo)體微信公眾號,作者:Mojtaba Zamanifekri,高級天線設(shè)計(jì)工程師)


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