群英讲堂 | 英飞凌天线调谐器件产品概览

Aug . 2024

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本文作者：佟浩英飞凌消费、计算与通讯业务大中华区高级主任工程师

天线作为无线通信系统的一个重要组成部分，广泛见于当今各种无线讯号收发设备中，从Wi-Fi路由器到5G手机，从蓝牙耳机到智能手表，从NFC刷卡到UWB室内定位。天线将电路板中高频电流转换成空间传输的电磁波，从而通过空中接口实现讯号的发射和接收。

1. 无线通信系统中的天线与天线调谐

图1-1 简化手机无线收发系统中应用天线阻进行抗调谐与口径调谐

以当前主流5G手机天线为例，多数量、小空间、多频段、大带宽乃至外观纤薄等诸多要求，给移动终端类产品的天线设计带来极大挑战。

英飞凌天线调谐产品（Antenna Tuner）帮助客户在有限的产品设计空间内，提升覆盖宽频带、多频带天线的辐射性能（如图1-1）。

2. 天线口径调谐 (Aperture Tuning) 与端口阻抗调谐（Impedance Tuning）

图2-1 电小天线调谐应用示意（SPDT 700MHz/1800MHz）

图2-2 使用英飞凌调谐器件实现多频段/宽频段天线口径性能优化

依据经典天线理论，天线的物理尺寸（天线口径）只有在与其工作波长相接近的条件下，才能够有效辐射电磁波能量。对于手机、智能手表、平板电脑等移动终端类产品，天线性能主要受制于如下两个方面：

● 由于受产品设计空间限制，天线无法在多频段（或宽频段）内满足有效辐射口径尺寸的要求；

● 天线无法在所有工作频率范围内都满足接近于50Ω的输入阻抗。

英飞凌天线调谐器件（Antenna Tuner）帮助客户轻松应对消费终端类产品天线设计中的挑战。通过开关逻辑状态切换实现不同的容感性调谐，从而改变天线的有效口径尺寸，优化端口匹配，提升最高至7GHz频率以下的天线辐射性能。

3. 英飞凌天线调谐器件类型

图3-1 英飞凌开关类天线调谐器的三种类型

目前英飞凌天线调谐产品有两种类型：开关类（Switch Tuner）和可变电容类（C-Tuner），支持GPIO与MIPI RFFE2.1控制接口协议，其中开关类Tuner是英飞凌主要出货品类，支持1.8V供电，而新近一代产品已支持1.2V/1.8V两种供电电压。

图3-2 英飞凌可变电容天线调谐器 (型号BGSA2341ML10)

3.1 开关类天线调谐器（Switch Tuner）

英飞凌开关类天线调谐器的内部拓扑有三种基本类型（见图3-1），均可以用作天线口径调谐与端口匹配。

当4×SPST被用于天线开路端的口径调谐时，其自身内部损耗往往会略小于SP4T调谐器，从而更有利于对提升天线整体辐射性能。

而相比于4×SPST ，SP4T调谐器的拓扑结构可以串联或并联在匹配电路中使用，更灵活地适应端口阻抗匹配。

SP4T内部的谐波抑制开关（RS, Resonance Stopper）可以有效抑制或缓解通路断开状态下，与其连接的感性元件（尤其是大感值器件）与开关断路的寄生电容形成串联LC谐振，从而可以避免干扰工作频段内的天线性能。Resonance Stopper对于天线调谐器在多个频段同时工作的场景尤为重要。

3.2 可变电容式天线调谐器（C-Tuner）

英飞凌可变电容天线调谐器，内置开关与步进式可变电容，同样大小的封装尺寸内，实现最小0.2pF电容步进/8状态的精细化频率调谐，支持更多天线工作频段。

4. 天线调谐器的关键参数

不同于射频通路切换开关，天线调谐器一般应用于非50Ω阻抗环境下，因此，相比于传统射频开关的S参数（如回波损耗，插入损耗）、P1dB等指标项，Tuner具有其特殊的描述参数。

4.1 最大工作电压(RF Operating Voltage, VRF)与2/3次谐波(2nd/3rd Order Harmonics, H2, H3）

在移动终端类天线调谐中，基于CMOS-SOI技术的Tuner，本身电流容限值较高，其应用条件常常受限于最大可承受电压值。如图4-1，当Tuner被用在高于其最大工作电压值（VRF）的天线调谐位置时，Tuner将出现明显的非线性行为，其二次谐波（H2）与三次谐波（H3）都将大幅恶化（如图4-2），电压进一步升高或可导致调谐器件击穿损坏。