高定向性耦合器在手机中的能量控制应用分析

在RF的应用中，定向性耦合器被用来在传播方向上分离信号。在辅助臂(耦合线路)上感应的电波与在发射系统(主线路)中传输的前向电波成比例。感应能量与输入能量的比值被称为耦合因子。

定向性的定义是：当能量的传输发生在要求的方向上时，在一个耦合端口处的能量输出，与当同等大小的能量传输发生在相反的方向上时，在相同的耦合端口上能量输出的差别(单位为dB)。

耦合因子＝10log(P2/P1)

这里，P1是输入能量，P2是耦合的能量。

定向性=10log(P2/P2R)

这里，P2是为前向信号提供的耦合能量，P2R是为逆向信号提供的耦合能量(图1)。

图1：(a) 前向、(b) 逆向定向性耦合器示意图。

定向性(dB)=绝缘(dB)-耦合(dB)

有限隔离是有限的定向性产生的原因。能量计通过测量在耦合端口处的一个定向性耦合器的输出，来测量在传输线路中的能量值。这一输出受耦合因子的影响。在主线路中反射的能量将会产生一个测量误差(定向性误差)。能量测量的精确度可以通过消除反射信号，或者通过使用高定向性耦合器来提高。

手机中的能量控制

手机通过连接到RF电路的天线来接受和发射信号(图2)。在3G频段，WCDMA调制将使可变信号放大。通常情况下，可变信号放大能使本来平均的输出能量达到一个峰值(超过3dB)，以覆盖一个被256个用户共同使用的带宽为5MHz的通道。手机的输出能量等级可通过基站调节，这要求来自手机的在同一个通道中传输的所有上行线信号，能在精确度小于1dB的范围内被接收。如果不能满足这个要求，则会由于信号过弱而导致通话被中断，也就是说，来自用户的服务感知等级很低。

图2：基本的GSM+3G无线电功能方框图。

与之形成鲜明对比的是，GSM波段采用TDMA标准，且伴有GMSK型信号调制，这里的移动用户成为在给定时间间隙和通道内的唯一用户。这意味着可以忽略较差的能量控制对网络的影响，因为它对其他用户的影响非常小。

高定向性耦合器的执行

密集天线环境中的任何改变都可能导致匹配不当，并且在某些特定场合，还会增加反射能量。我们将考虑的最大VSWR值是6比1，该值发生在最坏情况下，例如当天线不能被打开时。

为发射前向信号并过滤掉所有由于匹配不当而导致的、来自天线的逆向信号，必须在PA输出和天线之间插入隔离器。输入和输出之间的阻抗值是 50Ω。大多数情况下都我们都希望去除隔离器，原因如下：隔离器体积太大，并且占据主要的PCB；隔离器的造价太高；隔离器会带来很大的插入损失(一般情况下高于0.7dB)；隔离器对温度非常敏感，并容易老化。

如今已开发出的耦合器解决方案可用于监测在能量控制应用中的PA输出信号，并且这项技术还可用来监测由于天线不匹配而产生的传输能量和发射能量 (图3)。

图3：在一定向性耦合器下的能量控制。

“Vi/Vr”方法在监测中既包含对事件的监测，也包含对反射能量的监测。当在天线处探测过量的VSWR时，输出能量将被减少到一个值，而这个值应尽可能地接近目标能量。

带有标准定向性耦合器(低于10dB)的Vi/Vr方法的执行，并不那么切合实际，这是因为：(1)每个输出方向必须有1个耦合器；(2)它的控制精确度非常差；(3)成本很高，应用起来非常复杂。

具有高定向性(高于15dB)的耦合器和均匀性能对监测入射能量信号和反射能量信号非常关键，它们能增加能量控制电路的精确度，并允许使用单个的耦合器。

单个微型AVX宽频高定向性耦合器既可以探测到Vi，又可以探测到Vr，它允许利用被测的入射能量与反射能量的比值来精确控制输出能量。

但需要注意的是，这一比值是独立于耦合因子精确度的(只要探测器收到的信号足够多)，但如表所示，它对定向性的依赖性非常强。

表：能量控制精确度。

AVX高定向性耦合器

开发AVX高定向性耦合器的目的是为了满足这一应用领域的迫切要求。在一个很小的物理空间内实现高定向性非常困难。通过从电场和磁场获得平衡作用，并精确地应用相计算，可以大大优化耦合器定向性。

AVX采用了金属阴极溅镀、平版印刷术以及电镀等半导体生产工艺技术。这些技术使得金属传导器具有精确的几何尺寸。

CP0402和CP0603系列的AVX高定向性耦合器基于薄膜多层技术，具有非常出色的高频率性能以及坚固的结构，这使得自动化装配变得非常可靠。

耦合器可以应用到一个非常宽的频带范围内，而且很容易得到中间耦合值。某些高定向性耦合器型号具有如下的特性：频率范围从400MHz到高于 6GHz、耦合因子从8.5dB到27.5dB@1950MHz。

图4：AVX耦合器的细微金属元素。

执行上述的输出能量控制技术，我们可以获得以下几个方面的好处：可大大增长手机的通话时间；PA输出能量可以被精确控制；不再需要隔离器；成本降低；在PA和天线间的插入损失被减少到最小值；PCB的高度和尺寸减小；I损耗很低(0.2dB)；导向性很高(超过20dB)等等。