Antenna booster-Antenna Tuner Combo Cover LTE Bands

Aurora Andújar, José L. Leiva, Fractus Antennas, Jaume Anguera, Fractus Antennas and Universitat Ramon Llull, and Cor Schepens and Roberto Gaddi, Cavendish Kinetics

由于LTE频段数量众多，无线设备需要许多复杂的多频天线设计^1-12。与仅使用824至960和1710至2170 MHz的2G和3G相比，4G的最大挑战之一是大工作带宽：698至960和1710至2690 MHz。低频区域的较低频率，尤其是698至960 MHz的频率，加剧了挑战，因为与工作波长相比，天线必须很小。

本文介绍如何结合Fractus Antennas的86.4 mm³小型天线增强器与Cavendish Kinetics仅占2 mm²面积的小型天线调谐器实现一个天线系统，覆盖698至2690 MHz频率范围内的LTE频段。

增强器+调谐器

虚拟天线^TM技术^13-18依赖于非常小的天线元件，称为天线增强器，这使其成为满足LTE带宽要求的一个好方法。使用匹配网络，不通过设计复杂的天线几何结构来调整工作频带，而只调整适当的匹配网络，这更快且更经济高效。相同的天线增强器可以适应不同的平台尺寸，因为只有匹配网络从一种设计改变到另一种设计¹⁸。这与传统天线设计不同，传统天线设计在不同情形下几何形状必须分别设计。除了体积小外，天线增强器也是表面贴装元件，简化了它们在无线设备中的集成（见图1）。

图1：天线增强器，尺寸为12 mm×3 mm×2.4 mm，安装在智能手机PCB的一角。

天线调谐器是精确、低损耗、可变电容器，可承受高RF电压，是可调谐天线、动态负载调谐器、可调谐滤波器和需要高压操作的模拟RF应用的理想选择。Cavendish Kinetics天线调谐器采用获得专利的RF MEMS技术，消除了传统绝缘体上硅（SOI）或GaAs RF前端的高插入损耗和RF电压处理的局限性。

Fractus天线增强器与Cavendish Kinetics天线调谐器的结合设计支持698至2690 MHz频率范围内的所有通信频段^19-20。这种增强器与调谐器组合的主要优点是：无线设备可以在整个频率范围内动态优化特定带宽的性能，为平台提供最大辐射，以支持每个覆盖范围和用户使用场景。

采用Cavendish Kinetics的RF MEMS技术和制造工艺生产的器件具有高准确性和可靠性，即使在1000亿次循环使用后仍能满足全部规格要求^21-22。32CK301R SmarTune™天线调谐器（见表1）用于演示本文中的设计概念。可提供具有更宽电容范围的产品，Cavendish Kinetics的调谐器系列提供0.4到3 pF的各种电容范围。所有SmarTune天线调谐器均通过MIPI RFFE接口进行控制（见图2），调谐器的功能是独立的，由控制器中的逻辑电路管理。

图2：天线调谐器框图（a）和照片（b），调谐器的尺寸为1.4 mm×1.4 mm。

可重构匹配网络

如图3所示，本文所提出的可重构匹配网络包括MEMS可调电容器（Z₂）和七个集总电容和电感（见表2）。在这种设计中，来自村田制作所的所有无源元件均为SMD 0402型，具有高Q值和严格的公差。可调谐电容器具有32个状态，数字控制，每个状态对应于0.4到1 pF的电容值。在本设计中，值和状态的对应关系为0.40（S00）、0.44（S02）、0.55（S08）和0.92 pF（S27）。

图3：可重构匹配网络。Z₂是Cavendish Kinetics的可变电容器。

没有匹配网络的天线增强器的阻抗特性非常差，特别是在低频，从698到960 MHz，其中|S₁₁|低于-1 dB¹⁷。但是，通过多频带匹配网络，可以在不改变天线几何形状的情况下轻松调整性能。天线增强器的位置对于激发地平面的有效辐射模式是重要的。在此设计中，选择了地平面的一个角^16-17。

可调谐电容器的状态通过接地平面末端的并行接口由软件控制。该接口将评估板连接到运行Cavendish Kinetics的SkyWalker软件的PC，该软件用于将阻抗调谐器设置为32种状态中的任何一种。

由于接地平面是辐射的重要贡献者，为了避免在测量天线性能时接口连接产生不良影响，使用了以下程序：通过连接接口选择阻抗调谐器的所需状态。在设置状态之后，接口连接被移除，接地平面上的电池向调谐器提供DC电压以维持该状态。这使得天线效率和S₁₁的测量不受接口连接的影响。

图4给出了右侧带有电池和10针并行接口的评估板。UFL电缆将天线增强器连接到安装在电路板边缘的SMA连接器。

图4：集成Fractus天线增强器、Cavendish天线调谐器和匹配网络的FR4评估板。

性能结果

对于每个天线调谐器的四种状态，总效率（η_t）通过Satimo Stargate-32测量系统在暗室中测量三维方向图获得（见图5）。总效率包括辐射效率（η_r）和失配损耗，其中η_t=η_r•（1 - |S₁₁|²）。测量数据显示，状态S27覆盖一些LTE低频带，即从698到746 MHz，而状态S08覆盖746到824 MHz。

图5：4种状态下测得的效率。

为了评估天线调谐的有效性，将覆盖698至960和1710至2690 MHz的无源匹配网络设计与此有源调谐设计进行了性能比较（见表3）。该表显示无源网络未覆盖所有LTE频段。天线调谐在低LTE频段（即699至798 MHz）中的优势明显。在频带12，有源解决方案的效率比无源设计高5.4 dB，在频带13和14效率高3.6 dB。在其他频带的效率相当，即1.4 dB以内。

载波聚合

评估板设计适用于载波聚合（CA），可同时使用多个LTE频带来提高数据速率。表4给出了为每个带间CA对推荐的天线调谐器状态。

结论

安装在120 mm×60 mm的地平面上、体积为86.4 mm³的小型天线增强器，配有可重构的匹配网络，蜂窝频段的覆盖范围为698至960和1710至2690 MHz。为了实现最高性能，可重构匹配网络采用MEMS可调电容和无源器件设计。测量的平均总效率高于40%，使得这种设计方法适用于大多数无线和移动设备。 

致谢和参考文献（略）

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