无线产品功率放大器-天线接口的自适应调谐设计

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目前无线产品的设计原理涉及将功率放大器(PA)和低噪声放大器(LNA)设计为具有独立于天线的50Ω阻抗，而天线也被尽可能设计为在所需的频带上具有 50Ω阻抗。对于将两者集成到一个模块中的情况，即使在理想的自由空间条件下，仍然会导致较差的性能。集中多个无线应用在单个设备中需要天线在较多频带上操作，因此会影响性能。此外，最新的变形手机设计趋势对天线有不利的影响。这些变形手机包括滑盖手机和旋转手机，需要天线在所有位置工作。最重要的因素是，天线的阻抗取决于同其他导体和电介质的接近程度。对于蜂窝产品而言，最常见的导体和电介质是用户的手和头。然而，在将电话用作调制解调器时，无线数据应用将其他导体和电介质引入到天线环境，诸如木质和金属桌面。这些天线环境因素通过吸收和反射两种途径影响其性能。
两种常见的解决反射效应的方法是使用负载不敏感PA或连续可调谐天线。但其缺点是：尽管负载不敏感PA能将性能提高到4:1电压驻波比(VSWR)失配，可是用于收发信机的接收机部分的噪声源不敏感LNA不是标准供货产品；连续可调谐天线在实验室环境中提供了信道带宽上的理想调谐，但这是以物料成本增加和电路板面积变大为代价的。
折衷的解决方案
本文提出了一种折衷的解决方案，该方案在实现完整解决方案的最大利益，即为几乎所有阻抗提供匹配的同时，仅需较少的电路和较少的电路板面积。目前已经开发出了将PA和前端模块RF电子装置并入天线内部的蜂窝无线电天线模块。针对天线负载条件使天线和RF电路之间实现最佳匹配。对于处理天线经历不同负载条件的可调谐匹配电路，这是一种低成本的方法。该方法可使这些阻抗匹配达到20dB的良好的回波损耗，但不具备理想的50Ω阻抗。同时，该方法不能使所有的可能阻抗匹配达到良好的回波损耗，但可使天线在上述多种严酷环境条件下经历的阻抗匹配。这将实现理想的50Ω阻抗可调谐电路的大部分性能的提高，同时可显著减少成本，即电路板面积、软件开发成本和BOM。
已开发的可调谐匹配电路可使最严酷应用条件下天线的阻抗匹配达到良好的回波损耗。如图1所示，针对该电路进行仿真以观察能够达到的不同阻抗匹配等级，即20dB和理想50Ω的阻抗范围。

图1 简单的单调谐元件匹配电路的范围
图2所示为该范围的6个应用条件下的天线阻抗。

图2 具有附加的天线阻抗的调谐电路范围
这6个条件均得到该可调谐匹配电路的良好处理。然而，不同于使用较复杂和昂贵的可调谐匹配电路，在另外两个条件下放弃了20dB的匹配标准。在高频带和低频带上对超过20个不同的条件进行了测试。
可调谐匹配电路的带宽容量
其中所关注的第一个指标是可调谐匹配电路的带宽容量。出于两个原因可确认该指标是重要的。第一个原因在于蜂窝接收机。尽管自适应调谐是针对移动设备的发射机工作的，但其不能降低接收机的性能。接收机工作于全球移动通信系统(GSM)应用中的不同频带。第二个考虑是W-CDMA、WiMAX或WLAN等的宽带调制应用。
如图3所示，简单的低成本单调谐元件匹配电路具有大的带宽容量，该电路在理论上能同时覆盖DCS 1800和PCS 1900频带，如图3左上角的曲线所示。然而，实际上如图3下面的两个曲线所示，利用该单调谐元件匹配电路可以使完整的DCS或PCS频带上的回波损耗提高10dB。

图3 GSM高频带下的调谐电路回波损耗性能的改善
这产生两个主要结果。第一个结果上面已经提到。该电路呈现出可处理宽带宽信号的能力，即1.75GHz或1.88GHz处的100MHz信号。第二结果涉及方案实现。跨频谱所需的调谐区别不大。这意味着在切换或其他频率变化过程中不需要手机对调谐电压进行大的调整，因此可显著减少对控制环路动态响应的考虑。不需要考虑控制环路在进行调整时会在部分突发过程中偏转到较差的调谐电压。
图4所示为GSM低频带的情况，尽管没有必要，但在理论上可同时覆盖完整的800MHz和900MHz频带。

图4 GSM低频带下的调谐电路回波损耗性能的提高
虽然该低频带的性能提高低于高频带的性能提高，但仍然是有利的。然而，利用简单的单调谐元件匹配电路可使完整的800MHz GSM或900MHz GSM频带的回波损耗性能提高超过5dB。而且，图4中示出的金属元件不是天线。在该情况中天线位于电话/塑料机壳内部。该金属元件是平衡-非平衡 (BALUN)器件。BALUN可消除导线效应或自导线辐射的电流。
将天线置于面对远离头部方向的手机顶部且将手放在手机上面时，呈现出PA的所有可能阻抗。这些阻抗是在调谐过程中由施加到调谐元件的调谐电压生成的所有可能阻抗。当环路检测到好的匹配条件时，该环路将停止工作，因此该环路并未调谐到每个上述调谐电压。此外，在切换时可能发生的跳频过程中，相同条件下该环路将不会过度调节电压。然而，在该条件下呈现给PA的最差情况是3dB的回波损耗。由于匹配电路在任何调谐电压下均不会超过该值，因此该控制环路将不再呈现该最差阻抗。这不会影响商用功率放大器在所有相位角下能承受10:1 VSWR。此外，该控制环路可被设计为具有两个环路动态响应，可首先使用快速环路寻找好的回波损耗，随后该环路可以切换到较慢的响应。
RF性能
尽管实现了回波损耗的改善，但设计者最关心的是整体RF的性能。调谐电路必须提高天线和功率放大器系统的整体效率，同时保持或改善线性性能。通过在调谐元件上设定相同的电压并且使用导线连接功率放大器和可调谐匹配电路，测量调谐电路后面的天线阻抗。测试结果表示，在所有功率电平下，回波损耗和整体效率都有明显改善，且具有相同或更好的线性。相同的技术可用于如3G数据蜂窝应用的其他线性调制技术。本文的思路是使调谐电路简单化和小型化。这对于3G应用也有相同作用，且能扩展到包括用于线性控制的谐波调谐，使这些应用具有更高的效率。
最后，在有调谐和无调谐情况下在天线测量室中使用仿真的头和手检验性能。该测量室需要连续信号，而功率放大器不能承受高功率电平下的连续操作。这需要降低辐射功率电平，而在该条件下，调谐性能改善并不明显。然而，在三种测试情况中仍然得到1dB的整体效率提高，如表1所示。
表1 有调谐和无调谐的结果对比

调谐元件特性
最后的考虑是匹配电路中使用的调谐元件。如果对该元件的要求过于苛刻以致难以实现，则使该解决方案的成本太高而受到限制。表2给出调谐元件的性能。
表2 调谐元件特性

调谐电路拓扑需要略低于10:1的调谐范围，这限制了供货商的范围，但仍然有供货商能满足表中所示的范围要求。所有其他的参数均满足或优于调谐电路元件以及蜂窝电话语音应用和3G数据应用的要求。此外，调谐元件的频率范围和功率容量性能优于表中所示的范围。表中的限制是由测试设备的限制产生的。
结语
本文给出的简化可调谐匹配电路能在蜂窝应用的多种严酷的环境条件下改善由天线带给PA的回波损耗。相对于能够将几乎任何阻抗匹配到理想的50Ω阻抗的较昂贵的、较大的可调谐系统，该简化的可调谐电路仅使用一个可调谐元件即可实现该可调谐系统的大部分性能，同时可降低成本和尺寸。此外，该电路具有适用于 GSM以及宽带调制系统的足够的带宽容量。RF性能测试表明该电路可以在多种严酷的测试条件下显著提高效率，同时保持良好的线性性能。在头和手阻挡的条件下执行测试时，该调谐技术还可用于满足连接到单个天线的多个无线应用的宽带工业需求。能够匹配多个频带的特性，即使在自由空间条件下，也能降低天线的回波损耗。最后，即使在无调谐情况下，同时设计天线和功率放大器仍有利于控制接口阻抗。这对于谐波而言特别重要。