阻抗失配在天线孔径调谐器测试中带来的福利

Test Card

提起反射，射频工程师都希望越小越好，如果可以实现，巴不得将VSWR做到1:1，这样不仅可以提高功率传输效率，同时还能提高系统稳定性。尽管如此，在射频测试中有时需要阻抗失配来达到所需要的测试条件。大家最熟悉的应用莫过于源和负载牵引了，通过改变阻抗得到不同的性能，在LNA和PA设计中应用颇多。

不过，今天要给大家分享的不是源和负载牵引方面的内容，而是阻抗失配在天线孔径调谐器(Antenna Aperture Tuner)测试中带来的福利。

什么是天线孔径调谐器？

自从进入移动终端4G时代，BOM表上便出现了一种新型器件——天线调谐器，这种器件主要用于调谐天线工作频段，同时兼顾天线的效率，业界通常称之为孔径调谐(Aperture Tuning)。目前天线孔径调谐技术已经广泛应用于4G/5G移动终端设备，尤其对于低频段的调谐，效果更加明显。

为了方便，下面统一使用Tuner代指天线孔径调谐器。

本质上讲，Tuner就相当于一个射频开关，如图1所示，只是其公共端接地。Tuner是怎么调谐天线工作频段的呢？

谐振频率的调谐还是要靠电容或电感等器件，由于移动终端的天线净空区越来越小，为了保证一定的天线效率，天线的尺寸需要做小一点，但谐振频率就偏了，借助于电容或电感等调谐器件，便可以谐振在期望的频点上，这就是天线孔径调谐的思路，Tuner也是在这种情况下应运而生的。

图1. 典型的Antenna Tuner示意图

值得一提的是，Tuner是直接作用于天线结构上的，并不是位于天线馈电口之前的链路上，这意味着Tuner就是天线的一部分，借助于调谐部件改变的是天线本身的性能。

图2. Antenna Tuner的应用示意图

为什么反射有助于Tuner 测试 ？

需要说明的是，只是对于Tuner个别参数的测试，在存在反射的情况下会更容易。

Tuner的主要测试参数包括导通电阻、关断电容、隔离度、谐波及峰值耐压等，除峰值耐压外，其它参数都属于常规参数，那么峰值耐压是一个什么样的参数，其特殊之处在哪里呢？

在印象里，貌似很少关注RF Switch的峰值耐压这个参数，因为RF Switch通常都是位于信号链路上，而移动终端的传导功率通常也不会超过500mW，承受这么大的功率还是轻而易举的，为什么Tuner会关注这个参数呢？

原因在于Tuner的使用位置，前面已经提到，Tuner是直接应用于天线结构上的，而作为一个谐振单元，一方面谐振时形成的驻波电压要比传导功率对应的电压大很多，另一方面，天线不同位置的驻波电压差异也是非常大的，为了使得Tuner能够应用于天线任何位置，所以对其耐受电压提出了比较高的要求。

峰值耐受电压的判定也是有标准的，当产生的谐波不超过限值时的临界电压，即为Tuner的峰值耐受电压。谐波具体限值可以参考3GPP相关标准，此处不再赘述。

有些厂家的Tuner峰值耐压可以达到60V甚至更高，对应的射频功率可以达到+46dBm。如果要提供这么高的射频功率，就需要一个高功率放大器，增加了测试难度和系统不稳定性。有没有更合适的方法？

当然有，就是通过在Tuner输出端阻抗失配引起反射，从而形成一定的驻波。有的位置驻波电压高，有的位置驻波电压低，当通过调整反射系数的幅度和相位，使得Tuner处的驻波电压达到最大、同时又是测试所期望的加载电压值，这就是峰值耐压测试的思路。

图3和图4的信息量较大，以双导线为例，分别给出了末端处在不同的反射时，沿线形成的驻波情况，其中图3是末端VSWR不同、相位为0°时的驻波波形，图4是VSWR相同、相位不同时的驻波波形。

通过这种方式，当达到一定的加载电压时，所需要的射频功率会更低。当驻波比设置为6:1时，如果要产生60V的加载电压，具体需要多少射频功率，请大家按照如下公式自己计算一下吧，有问题可以留言~~

图3. 不同VSWR形成的驻波波形(Phase=0°)

图4. 相同VSWR、不同Phase时的驻波波形

如何调整反射系数的幅度和相位呢？这就要借助于阻抗调谐器，通过改变阻抗调谐器中滑块的耦合强弱及位置，便可以实现反射系数的调整。当然，测试之前需要使用矢网对反射系数进行校准。阻抗调谐器并不在本文介绍的范围之内，后面有机会再给大家分享。