蜂窝电话功率放大器-天线接口的自适应调谐

引言

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。