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
1 前言
如 前文所讲，天线调谐器件对移动终端类，尤其对于支持多频、宽频蜂窝通讯的终端天线调谐至关重要。 本文将对天线调谐器若干指标参数对电小天线调谐应用的影响做一些初步探讨，以期客户能够在产品设计中选择适当指标参数的调谐器件（Antenna Tuner），达到优化产品性能与体验以及降低成本的目的。
2 天线调谐器COFF，RON，ROFF参数对天线辐射性能的影响
2.1 应用背景
RON，ROFF与COFF几个Tuner器件参数属于小信号参数，主要影响客户天线的无源指标参数，如谐振频率、回波损耗、峰值效率等系统指标。
在客户的多频宽频移动终端类天线方案中，单极子天线、偶极子天线、IFA（倒F型天线）等末端开路类型天线是较为普遍的天线设计方案。因其具有占用空间小、易集成、弱方向性、容易实现宽带匹配与调谐等优点而被广泛应用。
下面详细讨论如上几个参数对于典型移动终端类产品（比如手机、MIFI）天线调谐性能的影响。
2.2 COFF对天线频偏的影响
图1. 多频移动终端类天线末端口径调谐示意图
如图1示意，上述的“末端开路”天线，可以等效为末端“加载”（或者说末端对地并联）一个无穷小的电容或者无穷大的电感，对等效感值或容值的调谐，可以在一定程度上改变天线有效辐射口径，以适应和匹配多频、宽频天线应用场景。当天线开路端的等效容值由等效无穷小逐渐增大时，天线的等效辐射口径（或电尺寸）也逐渐增加，天线谐振会逐渐偏向更低频率，开路端加载容值越大，频偏越大。反之，如果天线开路端的等效感值由等效无穷大变成有限值的时候，天线谐振会逐渐偏向更高频率，开路端加载感值越小，频偏越大。
通过对天线开路端加载，改变天线有效口径/电尺寸的方法，一般称为“口径调谐”。口径调谐所使用的容值或感值，一般来说不会与其末端开路状态有本质性差异，否则天线的谐振机制或者“辐射模式”将会被彻底改变，从而失去了调谐有效辐射口径的目的。一般而言，对于蜂窝频段天线的开路端加载，大都会使用相对较小的电容（大概1~2皮法pF）或较大的电感（十几至几十纳亨nH），因此天线末端加载的器件呈现出较高的电抗性，且通过器件的峰值电流也较低。同时，天线的口径调谐点的位置可以根据客户实际的应用环境进行适当调整，原则上讲，越靠近天线的开路末端，口径调谐的效果越明显。
图2. 四通路天线调谐器（Tuner）在通路开/关状态下的等效电路
如图2，以4×RF通路的天线调谐器（Antenna Tuner）为例，在每一个开关通过在断开状态时都存在对地并联的寄生电容值，即COFF，当4通路全部处于断开状态时，COFF最大。当天线调谐所需加载的电容值跟器件自身所呈现的COFF容值可以相比拟时，COFF的寄生效应对天线谐振频率的影响就不可忽视。
在如图2所示的天线S参数仿真曲线中，当COFF容值从理想情况（无寄生）到0.2pF变化时，图1形式的蜂窝天线谐振频率在1GHz以下的变化情况。由于COFF是器件的固有参数，且不同的Tuner型号会有不同的COFF，因此，客户在进行天线模块开发的早期就应该充分考虑COFF对天线频偏的影响。
图3. 寄生电容COFF对天线谐振频率的影响
2.3 Tuner器件的阻性参数RON，ROFF对天线系统性 能的影响
相较于器件的容性参数COFF，RON与ROFF分别表示Tuner通路打开和关闭时器件的等效电阻值。Tuner器件存在的阻性参数不会导致天线调谐时的频率漂移，但是会影响到天线的辐射性能或辐射效率。
除前文所提到的，通过在天线开路端适当加载容感器件来实现口径调谐外，在天线的输入（馈电）端口进行带宽调谐的方式，一般称为“阻抗调谐”。为了避免阻抗调谐电路中引入较多损耗，阻抗调谐一般不使用高感值的电感。
既然RON与ROFF都是用来描述Tuner自身的电阻特性，同时在使用Tuner进行天线调谐时，其既有断开通路又有闭合通路，那么两者对天线整体性能的影响分别是怎么样呢？在客户进行Tuner器件选型时，该如何判断是器件的RON更重要，还是ROFF更重要呢？答案是，与具体的天线调谐方式紧密相关。下面分别以典型的天线口径调谐与阻抗调谐为例，分析RON与ROFF值之于两种天线调谐方式的影响。
需要强调的是，ROFF描述的是断开通路的等效电阻，其阻值越大越好，一般在几十至200千欧的量级范围。但是ROFF在芯片级测试和提取过程中存在较大的误差，不易获得准确测量值，因此ROFF测试值一般不会在器件规格书中体现，而是更多反映在客户的系统性能上。
2.3.1 RON/ROFF对天线口径调谐的影响
如前述图1所示的天线口径调谐应用中，一般使用高电抗性加载，定性而言，经过调谐器件的电流相比于图4的阻抗调谐方式要低，所以，通常在闭合通路的等效导通电阻RON（约1~2Ω）上产生的功率损耗（热损耗）要低于在其他断开通路的等效ROFF上产生功率损耗。
因此，在客户在使用Tuner器件做天线口径调谐时选择低RON参数的Tuner，最终在天线性能上获得的收益一般较小。参考如下表1、2的数据，在口径调谐应用场景下，ROFF参数对系统性能的影响远大于RON，ROFF越大，天线峰值效率越高。
表1. 天线调谐器RON对天线效率的影响：口径调谐
表2. 天线调谐器ROFF对天线效率的影响：口径调谐
2.3.2 RON/ROFF对天线阻抗调谐的影响
图4. 多频移动终端类天线端口
如图4，在远离天线开路末端位置，或者靠近馈电位置进行调谐的方式，都可以看作是阻抗调谐。天线阻抗调谐的目的，不是微调天线口径尺寸，而是实现端口阻抗匹配或者天线口径重构。一般而言，这种调谐方式会使用低抗值（或者0欧姆电阻）的容感器件加载，来构造一个适当的接地（Grounding）路径，以实现宽频及多频带宽覆盖。
从电磁学及电小天线理论可知，天线的接地点一般即为驻波电流的腹值点，具有相对较大的峰值电流。此时，通过开关闭合通路的电流将远大于断开通路的漏电流，因此在等效电阻RON产生的损耗也将明显大于ROFF的损耗，RON参数对客户天线性能的影响也更将为敏感。
表3. 天线调谐器RON对天线效率的影响：阻抗调谐
如表3、4数据所示，在阻抗调谐应用场景下，RON参数对系统性能的影响远大于ROFF，RON越大，天线峰值效率越差。
表4. 天线调谐器ROFF对天线效率的影响：阻抗调谐
3 小结
用于多频、宽频天线调谐用途的Tuner器件，其RON、COFF、ROFF等小信号参数可能对客户的天线性能产生一定程度的负面影响，如频率偏移、效率损失等。在客户产品设计阶段，应预先考虑到这些影响因素并结合具体的调试方案进行器件选型，在实现天线带宽拓展、辐射能力提升的同时，最大程度地降低引入调谐器件带来的附加损耗。
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