无线产品功率放大器-天线接口的自适应调谐设计

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。

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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

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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。