优化移动天线调谐的简易方法

作者：Mojtaba Zamanifekri，高级天线设计工程师

创建具有多部天线的移动设备涉及到一个极具挑战性的平衡过程。如果考虑到移动设备设计人员面对的所有因素，那么所需要考量的层面则过于繁杂。首先，移动设备带有分别用于蜂窝网络（低、中、高频段）、Wi-Fi、蓝牙®、超宽带等多个频段的天线；除 RF 的单一范围外，他们还必须应对更丰富功能和更小、更时尚设计间的权衡。

图 1：中、高 Wi-Fi 频段 Qorvo 天线调谐器

使用 Qorvo 天线调谐器有助于优化这些频段中每个频段的天线性能；然而，增加调谐器确实要以牺牲天线效率为代价。因此，在设计中必须注意保证足够的天线效率及性能；这样做需要优化 PC 板的布局。Qorvo 提供了丰富的天线调谐组件选择，为广泛的应用带来最佳性能。策略性地安排 Qorvo 天线调谐器的位置，是为了充分利用其出色的 RF 性能特性来调谐中高频段频谱，并获得高效率。

如图 2 所示，两块带有天线和天线调谐元件的 PC 板总共占用 195mm2 的面积。我们的目标是将该面积减少 35%，同时满足峰值 RF 性能。下面，我们将解读如何利用效率与性能间的权衡来实现这一目标。

图 2：基线中高频段与 Wi-Fi 天线 vs 占板面积缩减目标

中高频段（MHB）天线本身便是一项艰巨的设计挑战，而添加 Wi-Fi 2.4GHz 和 5GHz 天线使设计变得更加困难，此外还缩减了外形尺寸。因此，其归根结底是要采用最佳的元件才能优化天线的 PC 板占板面积。

在图 3 中，我们可以看到 MHB 和 Wi-Fi 天线的 PC 板布局设计。这一经优化的布局设计让尺寸减少 35%，并实现同类最佳的 RF 信号范围。下面，让我们来分析一下移动设备设计师将如何同时获得 35% 的尺寸缩减和卓越的智能手机 RF 范围。

图 3：中高频段和 Wi-Fi 移动天线解决方案

如表 1 所示，每个调谐状态覆盖四个不同的蜂窝频段。我们设计的天线具备 3 个 RF 分支；其针对每个调谐状态覆盖四个蜂窝频段（MHB），以及 2.4GHz 和 5GHz 的 Wi-Fi 频段。

需要注意的是，图 3 所示的设计同时考虑了 MHB 和 Wi-Fi 频段。其中 1、3、40 和 7 频段以及 Wi-Fi 频段均同时工作；各部天线在每个蜂窝和 Wi-Fi 切换状态下也均能达到峰值性能，如下表所示。

表 1：MH 频段和 Wi-Fi 经调谐后同时运行

下面让我们仔细看下 MHB 和 2.4GHz 部分。如图 4 所示，Qorvo 天线调谐器用于 MH 和 2.4GHz Wi-Fi 调谐。调谐器与电路板的组合布局优化了蜂窝及 Wi-Fi 2.4GHz 频段。

图 4：MHB 和 2.4GHz 天线调谐器及设计

U1 连接至这一区域，以补偿由 U2 调谐器引起的任何变化，从而保持 Wi-Fi 2.4GHz 频段的谐振。事实上，天线的这两个部分相互依存，二者共同工作以产生一个可调谐的谐振和两个恒定谐振，同时保持两个频段的效率处于峰值状态。

该天线结构的第三部分通过金属导线连接操作——如图中蓝色虚线框所示。这是一个覆盖 Wi-Fi 5GHz 频段的单极天线（图 5）。此 PC 板布局覆盖了 Wi-Fi 5GHz 频段的大带宽（5150 至 5850MHz）。

图 5：5GHz Wi-Fi 单极天线结构

为减少智能手机中天线区域的面积，我们使用了 Qorvo 天线复用器芯片组，以缩减成本及尺寸；见图 6。天线复用器结合了每个天线馈送源的三个不同 RF 信号。这种方法还减少了智能手机的 RF 辐射面积，从而减轻了干扰；此外，它还将三个独立的辐射器整合至一片很小的 PC 板区域。

图 6：带天线复用器的 MH、Wi-Fi 2.4GHz 和 5GHz 天线

使用天线复用器的主要优势包括：

·  减少 PCB 尺寸
·  在所有所需频段均实现很高的辐射效率

那么，尺寸的减少和性能的增强是否会提高峰值性能？答案是肯定的；请参见图 7 —— Qorvo 天线调谐器和天线复用器带来的尺寸缩减使效率得以提升。

图 7：MHB 和 Wi-Fi 的效率测量结果

对拥有更多功能且更小、更时尚产品的需求，使得智能手机及其它移动设备的设计变得日趋复杂。工程师们时常纠结于如何在优化性能的同时达成这些指标；此外，他们还需要加速推进设计进程以满足公司的上市时间要求。对此，Qorvo 将助您一臂之力。我们提供技术支持，以及全新或改进的下一代产品。借助天线调谐器和天线复用器，加上我们的 PC 板设计指导，Qorvo 可以帮助您构建满足客户需求的设计。有关这一应用的更多详细信息，请随时联系我们的技术支持https://www.qorvo.com/support/technical-support。

关于作者：Mojtaba Zamanifekri，高级天线设计工程师

Mojtaba 是移动通信系统的天线解决方案及 RF 系统的设计与建模专家。凭借在电磁学和 RF 系统领域的综合知识，他帮助 Qorvo 应用团队创建最先进的天线解决方案，以满足旗舰智能手机当前和未来的需求。