群英講堂 | 英飛凌天線調諧元件產品概覽

Aug . 2024

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本文作者：佟浩

英飛凌消費、計算與通訊業務大中華區資深主任工程師

天線作為無線通訊系統的重要組成部分，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，從而通過空中介面實現訊號號的發射和接收。

1. 無線通訊系統中的天線與天線調諧

圖1-1 簡化手機無線收發系統中應用天線阻進行抗調諧與口徑調諧

以目前主流5G手機天線為例，多數量、小空間、多頻段、大頻寬乃至外觀纖薄等諸多要求，為行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）協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）。

2.天線口徑調諧 (Aperture Tuning) 與連接埠阻抗調諧（Impedance Tuning）

圖2-1 電小天線調諧應用示意（SPDT 700MHz/1800MHz）

圖2-2 使用英飛凌調諧元件實現多頻段/寬頻段天線口徑性能最佳化

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，才能有效輻射電磁波能量。對於手機、智慧型手錶、平板電腦等行動終端類產品，天線效能主要受限於下列兩個面向：

● 由於受產品設計空間限制，天線無法在多頻段（或寬頻段）內滿足有效輻射口徑尺寸的要求；

●天線無法在所有工作頻率範圍內都滿足接近於50Ω的輸入阻抗。

英飛凌天線調諧裝置（Antenna Tuner）可協助客戶輕鬆應對消費終端類產品天線設計的挑戰。透過開關邏輯狀態切換實現不同的容感性調諧，進而改變天線的有效口徑尺寸，優化連接埠匹配，提升最高至7GHz頻率以下的天線輻射性能。

3. 英飛凌天線調諧元件類型

圖3-1 英飛凌開關類天線調諧器的三種類型

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），支援GPIO與MIPI RFFE2.1控制介面協議，其中開關類Tuner是英飛凌主要出貨品類，支援1.8V供電，而新近一代產品已支援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樸有三種基本類型（見圖3-1），兩者皆可作為天線口徑調諧與連接埠相符。

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。

而相較於4×SPST ，SP4T調諧器的拓樸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）可以有效抑製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其重要。

圖3-2 英飛凌可變電容天線調諧器 (型號BGSA2341ML10)

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，內建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，支援更多天線工作頻段。

4. 天線調諧器的關鍵參數

有別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，相較於傳統射頻開關的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。

圖4-1 天線調諧器的最大工作電壓 (VRF) 和擊穿電壓（Vpeak）示意圖

圖4-2 天線調諧器的2/3次諧波水準與其工作電壓關係

4.1 最大工作電壓(RF Operating Voltage, VRF)與2/3次諧波(2nd/3rd Order Harmonics, H2, H3）

在行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 ）都會大幅惡化（如圖4-2），電壓進一步升高或可導致調諧元件擊穿損壞。