Emily ＆ MacGyFu: High Voltage Antenna Tuner: 如何產生高電壓射頻訊號來驗證Vpeak

從榮耀Honor C1發表，到今年小米14 ultra也搭載了T1晶片[1]，當然這晶片從功能宣傳與位置來說，跟Honor C1不能說相同但確有相同之處，訊號強度要增強在整個系統框架沒有變動的情況下，增加天線的整體效率是最直接有效。

單一天線訊號增強技術(這裡就不討論天線陣列antenna array)我們可以用下圖來說明，如果當天線本體已經固定，一般手機會設計在某個場景下最佳化，但在使用過程可能會因為使用者手握的姿勢與通話的方式與原本最佳化的條件不同，因此改變了天線特性，這時候如果搭配antenna tuner與impedance tuner進行動態調整，就可以降低使用者因為使用方式不同造成的訊號衰減，整個技術核心包含a. 功率偵測電路、b. 控制演算法電路與c.天線調偕器(antenna tuner and impedance tuner)三大核心組成，之前在分析榮耀Honor C1 [2]有興趣可以再回顧一下。

Antenna Tuner也是整個天線增強的核心器件了，如果器件體質不好在怎麼優化都優化不到點上，而且可能會造成射頻雜散超標影響整個項目認證，Tuner的應用與細節一線大廠Qorvo [3]與Skyworks[4]已經有很多相當好的文章，這裡就不在複製貼上。

Antenna Tuner的核心參數除了Ron與Coff外，還有Vpeak高功率承受點，Vpeak通常是透過諧波的突變點來定義，例如二次諧波與主頻功率當主頻功率增加1dB二次諧波會增成2dB呈現2：1的關係，當功率一直增加諧波會再某一點功率突然偏離曲線異常的變大，這一點就定義為Vpeak點。

但如果元件Vpeak大於 80V，如果以50Ω系統就等於需要輸出功率大於48.1dBm or 64W，Vpeak與Power (功率)常見的如下表，手機比較常見的功率是33dBm 2W，這時Vpeak也才14.1V，這次主要介紹一下Antenna Tuner高壓測試環境與原理，也會用銳石創芯RR13133-11 80V Tuner來示範如何可以驗證Antenna Tuner的Vpeak點。

實驗室量測驗證一般常見的有100W 50dBm功率放大器，但整個量測系統從功率放大器輸出到DUT還會經過隔離器Isolator (保護功率放大器)，濾波器Filter(移除功率放大器諧波)，耦合器(Coupler)與一些接頭Cable線等插損，整串要控制在2dB內其實是挺困難的，但如果採購更高功率的放大器成本又會急遽上升。

所以大部分情況下會如同下面的測試方法，例如下圖為銳石創芯RADROCK的RR88916-31系列的規格書截圖在開關TRx口諧波就有50Ω與VSWR 5:1兩個條件，射頻開關(RF SWITCH)產品規格上會看到一些指標是在阻抗失配(Ant Mismatch)情況下的特性，有些朋友可能會聽到如果是沒有Tuner這設備也可以用50Ω系統網上加4.4dB，在31.4dBm就可以等校VSWR 5:1的規格。

但那這個數值怎麼得到的？把上面的Tuner的我們簡化成以下等校電路圖，VL上面的電壓擺幅可以用簡單分壓定理求得，相關知識可以參考[5]之前的文章。

VL＝（RL/(RL+RS)*VS

當Tuner在等駐波Constant VSWR轉動的時候，Γ在Smith Chart上會呈現一個正圓，會有兩個純實部的交點，右側高阻抗區的交點就是VL電壓擺幅最大的點。

下表計算一下常見的幾個VSWR組合，當VSWR為5的時候，Tuner轉阿轉最大就是會轉到RL=250Ω，這時最大電壓增益為4.4dB，這也是為什麼會有加4.4dB等校VSWR 5:1的由來，那假設Tuner可以提供接近全反射的條件，舉例VSWR 100這時候電壓的增益就會接近2倍也就是6dB，就變成開路法或稱為反射法測試，可以參考RFZone[6][7]的文章。

轉Tuner的方法好處除了降低對功率放大器的需求外，也可以避免整個測試環境阻抗不匹配的情況，因為當測試環境有點偏移的情況下因為Tuner會轉動一圈最後總是會掃到最大的電壓擺幅阻抗位置。

Tuner的量測方法要注意到Tuner本身與Tuner到DUT端的插損，如果插損過大很難得到較大的阻抗，而且低插損高反射Tuner本身的價格可能都比高功率射頻放大器來的昂貴，這裡介紹一個經濟的作法，如果學校修過微波工程[8]的朋友，一定對四分之一波長阻抗匹配電路不陌生(THE QUARTER-WAVE TRANSFORMER)，微波電路經常使用1/4波長阻抗的特性來設計電路，這個之前介紹Doherty功率放大器也出現過。

四分之一波常匹配的特性公式如下，假設一段100Ω傳輸線，負載阻抗會被匹配到200Ω，因為是平方的關係當傳輸線阻抗增加到150Ω，輸入阻抗就會被匹配到450Ω。(但聽起來好像沒有比較厲害，最多也只是接近全反射)

這時候延伸四分之一波長傳輸線，使長度來到二分之一波長，這時候從輸入埠會看到阻抗匹配RL 50Ω，如果傳輸線本身是無損能量會直接傳遞到負載埠，諧波的阻抗就剛好是多繞半圈，所以在中間點H2阻抗會回到50Ω，三階H3會回到Zin。

這麼做的目的是要把待測物DUT放在傳輸線中間的位置，此時阻抗定義為Rdut，因為訊號輸入埠是完全匹配，每一點位置的功率要守恆，所以可以算出Rdut點的電壓大小如下，一般FR4板材疊構Microstrip Line差不多就在150Ω左右，所以只要傳輸現阻抗ZT大於100Ω，增益就會大於全反射的6dB。

這裡用RadRock RR13133-11 4*SPST High Performance Antenna Tuning Switch來實驗四分之一阻抗轉換器，這顆器件的RF voltage handling 號稱超過80Vpeak，如果用50Ω系統直接輸出到DUT端點功率就要超過48dBm以上才能測到變異點。

下圖製作了一個50Ω標準Antenna Switch雙埠測試EVB，另外製作一個150Ω的阻抗轉換測試板，但實際都量測都都偏小一點約143Ω。

下圖為150Ω阻抗轉接板的S參數量測資料。

將Antenna Switch放置在測試板，供電並且進入All OFF模式，下圖X軸為輸入功率Y軸為二次諧波功率，可以觀察到綠色曲線是用ZT 50Ω傳輸線量測，輸入功率一直到48.2dBm都還沒看到諧波有突變，當換上高阻抗轉換ZT 150Ω測試板功率在大於40.0dBm左右諧波異常變化，這也是我們所謂的Vpeak點，因為實際為143Ω阻抗，所以套用上面公式電壓增益為9.1dB，可以換算出Vpeak電壓落在90V左右或等校50Ω系統下的49.1dBm輸入功率。

以上實驗都還沒有考慮諧波絕對值如何校正補償的問題，因為前面有帶過在Rdut端奇次諧波阻抗與偶次諧波阻抗是不同的，另外這四分之一波長阻抗轉換的限制是：

頻寬：實際上能測的頻寬大概在S11在-10dB左右都能提供一定的阻抗轉換，這個測試板雖然有點偏但從880MHz ~ 960MHz測試比較起來都相差不多。

頻率：另外一個顯而易見就是一種板子只能測一個頻率範圍，如果要測其他頻率就要準備另外一組EVB。

如果預算不是問題直接買足配件(Tuner & High Power Amplifier)是最省事的，這裡主要是用Antenna Tuner Vpeak這主題來介紹阻抗轉換與電壓增益的關係，這個原理與Antenna Tuner為什麼會承受大電壓是相同，也複習一下傳輸線阻抗匹配的有趣性質，從中可以理解為什麼Antenna Tuner需要設計承受這麼高的電壓Vpeak，如果有其他問題要討論或對銳石創芯Antenna Tuner產品線有興趣的朋友，隨時歡迎私訊留言。