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2024-10-14
來源: 英飛凌官方微信
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。
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）。
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：
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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