引言
目前無線產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理涉及將功率放大器(PA) 和低噪聲放大器(LNA)設(shè)計(jì)為具有獨(dú)立于天線的50Ω阻抗,而天線也被盡可能設(shè)計(jì)為在所需的頻帶上具有50Ω阻抗,。集中多個無線應(yīng)用在單個設(shè)備中需要天線在較多頻帶上操作,,會影響性能。在將電話用作調(diào)制解調(diào)器時,,無線數(shù)據(jù)應(yīng)用將其他導(dǎo)體和電介質(zhì)引入到天線環(huán)境,,諸如木質(zhì)和金屬桌面。這些天線環(huán)境因素通過吸收和反射兩種途徑影響其性能,。
兩種常見的解決反射效應(yīng)的方法是使用負(fù)載不敏感PA或連續(xù)可調(diào)諧天線,。但其缺點(diǎn)是:盡管負(fù)載不敏感PA能將性能提高到4:1電壓駐波比(VSWR)失配,可是用于收發(fā)信機(jī)的接收機(jī)部分的噪聲源不敏感LNA不是標(biāo)準(zhǔn)供貨產(chǎn)品;連續(xù)可調(diào)諧天線在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中提供了信道帶寬上的理想調(diào)諧,,但這是以物料成本增加和電路板面積變大為代價的,。
折衷的解決方案
本文提出了一種折衷的解決方案,該方案在實(shí)現(xiàn)完整解決方案的最大利益,,即為幾乎所有阻抗提供匹配的同時,,僅需較少的電路和較少的電路板面積。目前已經(jīng)開發(fā)出了將PA和前端模塊RF電子裝置并入天線內(nèi)部的蜂窩無線電天線模塊,。針對天線負(fù)載條件使天線和RF電路之間實(shí)現(xiàn)最佳匹配,。對于處理天線經(jīng)歷不同負(fù)載條件的可調(diào)諧匹配電路,這是一種低成本的方法,。該方法可使這些阻抗匹配達(dá)到20dB的良好的回波損耗,,但不具備理想的50Ω阻抗。同時,,該方法不能使所有的可能阻抗匹配達(dá)到良好的回波損耗,,但可使天線在上述多種嚴(yán)酷環(huán)境條件下經(jīng)歷的阻抗匹配。這將實(shí)現(xiàn)理想的50Ω阻抗可調(diào)諧電路的大部分性能的提高,,同時可顯著減少成本,,即電路板面積、軟件開發(fā)成本和BOM,。
已開發(fā)的可調(diào)諧匹配電路可使最嚴(yán)酷應(yīng)用條件下天線的阻抗匹配達(dá)到良好的回波損耗,。如圖1所示,針對該電路進(jìn)行仿真以觀察能夠達(dá)到的不同阻抗匹配等級,,即20dB和理想50Ω的阻抗范圍,。
圖1 簡單的單調(diào)諧元件匹配電路的范圍
圖2 具有附加的天線阻抗的調(diào)諧電路范圍
這6個條件均得到該可調(diào)諧匹配電路的良好處理,。然而,不同于使用較復(fù)雜和昂貴的可調(diào)諧匹配電路,,在另外兩個條件下放棄了20dB的匹配標(biāo)準(zhǔn),。在高頻帶和低頻帶上對超過20個不同的條件進(jìn)行了測試。
可調(diào)諧匹配電路的帶寬容量
其中所關(guān)注的第一個指標(biāo)是可調(diào)諧匹配電路的帶寬容量,。出于兩個原因可確認(rèn)該指標(biāo)是重要的,。第一個原因在于蜂窩接收機(jī)。盡管自適應(yīng)調(diào)諧是針對移動設(shè)備的發(fā)射機(jī)工作的,,但其不能降低接收機(jī)的性能,。接收機(jī)工作于全球移動通信系統(tǒng)(GSM)應(yīng)用中的不同頻帶。第二個考慮是W-CDMA,、WiMAX或WLAN等的寬帶調(diào)制應(yīng)用,。
如圖3所示,簡單的低成本單調(diào)諧元件匹配電路具有大的帶寬容量,,該電路在理論上能同時覆蓋DCS 1800和PCS 1900頻帶,,如圖3左上角的曲線所示。然而,,實(shí)際上如圖3下面的兩個曲線所示,,利用該單調(diào)諧元件匹配電路可以使完整的DCS或PCS頻帶上的回波損耗提高10dB。
圖3 GSM高頻帶下的調(diào)諧電路回波損耗性能的改善
這產(chǎn)生兩個主要結(jié)果,。第一個結(jié)果上面已經(jīng)提到,。該電路呈現(xiàn)出可處理寬帶寬信號的能力,即1.75GHz或1.88GHz處的100MHz信號,。第二結(jié)果涉及方案實(shí)現(xiàn),。跨頻譜所需的調(diào)諧區(qū)別不大,。這意味著在切換或其他頻率變化過程中不需要手機(jī)對調(diào)諧電壓進(jìn)行大的調(diào)整,,因此可顯著減少對控制環(huán)路動態(tài)響應(yīng)的考慮。不需要考慮控制環(huán)路在進(jìn)行調(diào)整時會在部分突發(fā)過程中偏轉(zhuǎn)到較差的調(diào)諧電壓,。
圖4所示為GSM低頻帶的情況,,盡管沒有必要,但在理論上可同時覆蓋完整的800MHz和900MHz頻帶,。
圖4 GSM低頻帶下的調(diào)諧電路回波損耗性能的提高
雖然該低頻帶的性能提高低于高頻帶的性能提高,,但仍然是有利的。然而,,利用簡單的單調(diào)諧元件匹配電路可使完整的800MHz GSM或900MHz GSM頻帶的回波損耗性能提高超過5dB,。而且,圖4中示出的金屬元件不是天線。在該情況中天線位于電話/塑料機(jī)殼內(nèi)部,。該金屬元件是平衡-非平衡 (BALUN)器件,。BALUN可消除導(dǎo)線效應(yīng)或自導(dǎo)線輻射的電流。
將天線置于面對遠(yuǎn)離頭部方向的手機(jī)頂部且將手放在手機(jī)上面時,,呈現(xiàn)出PA的所有可能阻抗,。這些阻抗是在調(diào)諧過程中由施加到調(diào)諧元件的調(diào)諧電壓生成的所有可能阻抗。當(dāng)環(huán)路檢測到好的匹配條件時,,該環(huán)路將停止工作,,因此該環(huán)路并未調(diào)諧到每個上述調(diào)諧電壓。此外,,在切換時可能發(fā)生的跳頻過程中,相同條件下該環(huán)路將不會過度調(diào)節(jié)電壓,。然而,,在該條件下呈現(xiàn)給PA的最差情況是3dB的回波損耗。由于匹配電路在任何調(diào)諧電壓下均不會超過該值,,因此該控制環(huán)路將不再呈現(xiàn)該最差阻抗,。這不會影響商用功率放大器在所有相位角下能承受10:1 VSWR。此外,,該控制環(huán)路可被設(shè)計(jì)為具有兩個環(huán)路動態(tài)響應(yīng),,可首先使用快速環(huán)路尋找好的回波損耗,隨后該環(huán)路可以切換到較慢的響應(yīng),。
RF性能
盡管實(shí)現(xiàn)了回波損耗的改善,,但設(shè)計(jì)者最關(guān)心的是整體RF的性能。調(diào)諧電路必須提高天線和功率放大器系統(tǒng)的整體效率,,同時保持或改善線性性能,。通過在調(diào)諧元件上設(shè)定相同的電壓并且使用導(dǎo)線連接功率放大器和可調(diào)諧匹配電路,測量調(diào)諧電路后面的天線阻抗,。測試結(jié)果表示,,在所有功率電平下,回波損耗和整體效率都有明顯改善,,且具有相同或更好的線性,。相同的技術(shù)可用于如3G數(shù)據(jù)蜂窩應(yīng)用的其他線性調(diào)制技術(shù)。本文的思路是使調(diào)諧電路簡單化和小型化,。這對于3G應(yīng)用也有相同作用,,且能擴(kuò)展到包括用于線性控制的諧波調(diào)諧,使這些應(yīng)用具有更高的效率,。
最后,,在有調(diào)諧和無調(diào)諧情況下在天線測量室中使用仿真的頭和手檢驗(yàn)性能。該測量室需要連續(xù)信號,而功率放大器不能承受高功率電平下的連續(xù)操作,。這需要降低輻射功率電平,,而在該條件下,調(diào)諧性能改善并不明顯,。然而,,在三種測試情況中仍然得到1dB的整體效率提高,如表1所示,。
表1 有調(diào)諧和無調(diào)諧的結(jié)果對比
調(diào)諧元件特性
最后的考慮是匹配電路中使用的調(diào)諧元件,。如果對該元件的要求過于苛刻以致難以實(shí)現(xiàn),則使該解決方案的成本太高而受到限制,。表2給出調(diào)諧元件的性能,。
表2 調(diào)諧元件特性
調(diào)諧電路拓?fù)湫枰缘陀?0:1的調(diào)諧范圍,這限制了供貨商的范圍,,但仍然有供貨商能滿足表中所示的范圍要求,。所有其他的參數(shù)均滿足或優(yōu)于調(diào)諧電路元件以及蜂窩電話語音應(yīng)用和3G數(shù)據(jù)應(yīng)用的要求。此外,,調(diào)諧元件的頻率范圍和功率容量性能優(yōu)于表中所示的范圍,。表中的限制是由測試設(shè)備的限制產(chǎn)生的。
結(jié)語
本文給出的簡化可調(diào)諧匹配電路能在蜂窩應(yīng)用的多種嚴(yán)酷的環(huán)境條件下改善由天線帶給PA的回波損耗,。相對于能夠?qū)缀跞魏巫杩蛊ヅ涞嚼硐氲?0Ω阻抗的較昂貴的,、較大的可調(diào)諧系統(tǒng),該簡化的可調(diào)諧電路僅使用一個可調(diào)諧元件即可實(shí)現(xiàn)該可調(diào)諧系統(tǒng)的大部分性能,,同時可降低成本和尺寸,。此外,該電路具有適用于 GSM以及寬帶調(diào)制系統(tǒng)的足夠的帶寬容量,。RF性能測試表明該電路可以在多種嚴(yán)酷的測試條件下顯著提高效率,,同時保持良好的線性性能。在頭和手阻擋的條件下執(zhí)行測試時,,該調(diào)諧技術(shù)還可用于滿足連接到單個天線的多個無線應(yīng)用的寬帶工業(yè)需求,。能夠匹配多個頻帶的特性,即使在自由空間條件下,,也能降低天線的回波損耗,。最后,即使在無調(diào)諧情況下,,同時設(shè)計(jì)天線和功率放大器仍有利于控制接口阻抗,。這對于諧波而言特別重要。