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。

參考資料

[1] 小米 14 Ultra 拆解：对移动影像的理解很 Ultra【享拆】- 微机分WekiHome

https://www.youtube.com/watch?v=FEEzeL8KO-U

[2] 榮耀Honor Magic5 Pro所謂的射頻增強晶片C1會是什麼東西？Antenna Tuner (Aperture Tuning)天線調諧, Impedance Tuner 阻抗調諧 或LNA低雜訊接模組

https://emilymacgyfu.blogspot.com/2023/03/honor-magic5-proc1antenna-tuner.html

[3] Qorvo, 4 Things to Know About Antenna Tuning in 4G / 5G Smartphones

https://www.qorvo.com/design-hub/blog/4-things-to-know-about-antenna-tuning-in-4g-5g-smartphones

[4] Skyworks, Why Vpeak is the Most Critical Aperture Tuner Parameter

https://www.microwavejournal.com/articles/print/30838-why-vpeak-is-the-most-critical-aperture-tuner-parameter

[5] RF共源極放大器需要匹配電路嗎? gate高阻直接接過去電壓不就快兩倍還匹配嗎？ - MacGyFu的文章 - 知乎

https://emilymacgyfu.blogspot.com/2018/02/rf-do-we-need-matching-circuit-for-rf.html

[6] 淺析Antenna Switch Tuner測試方法 - RFZone的文章 - 知乎

https://zhuanlan.zhihu.com/p/567737212

[7] 反射法測試 Antenna Switch Tuner - RFZone的文章 - 知乎

https://zhuanlan.zhihu.com/p/611411598

[8] David M Pozar, “Microwave_Engineering 4ed”, CH2, page 92, THE QUARTER-WAVE TRANSFORMER

 

開箱: 米家百靈/博朗電動刮鬍刀 值不值得買?

        平常我都是用小剪刀來修檢鬍子，因為很容易剪到肉，所以都不會剪的很乾淨，後來逛了小米看到德國博朗电动剃须刀，這Size感覺可以，剛好搭飛機不方便帶小剪刀這個剛剛好，199的架構大概900塊台幣，說實在直接買百齡隨身括弧刀價格也差不多，那為什麼要買米家......

        小米出的我想會有藍芽跟手機連線，或多兩顆LED可以當手電筒，也不支援無線快充，..好吧除了LOGO外，這好像就是一台平凡無奇的百齡電動刮鬍刀，但外觀還是有點小米的味道。

        充電線並非Type C的標準規格，雖然一邊可以接標準USB充電頭，但是出門還有多帶一條線，這點實在有點不太方便，盒子裡面還附上一顆IPX4 5V/1A的充電頭，這東西說實在有點雞肋，防水等級不高你也不想想把它長期放在浴室裡面充電。

        實際使用起來，因為我平常沒用刮鬍刀的習慣，所以我也不知道這算好用還是不好用，一般狀態大概花個5-6分鐘就可以刮乾淨了，也沒有什麼不舒服的感覺。

        這刮鬍刀標榜可以水洗，但平常其實可以不用洗，刮完刀片組拆下來敲一敲就可以了，如果用水洗，洗完記得要乾了後才能組裝回去在使用。

        米家百靈/博朗電動刮鬍刀 值不值得買? 其實還好沒有很特別推薦，如果剛好要買刮鬍刀又路過小米店可以順手買一下，其實本身產品沒什麼問題，但以要出差方便攜帶的定位，充電線是特殊不是Typi-C這一點實在很瞎。 

開箱: 米家無線吸塵器mini Portable Vacuum Cleaner 不只是灰塵還可以吸蟑螂

         租房子在外面，雖然平常有阿姨會幫忙打掃公用空間，但房間有些地方還是會有些毛髮灰塵需要清理，原本是想買台米家吸塵器，但想想如果以後回家不好帶走，正在猶豫的時候看到了看到這個米家無線吸塵器mini，我是在深圳買售價229人民幣，算一算跟台灣售價1095台幣比好像有便宜一點點，但COCO的百香雙響炮16人名幣一杯明顯比台灣貴上不少。

        配件相當間單，一個長的有點像果汁機，一個刷毛吸頭，一個延長管跟一條Typic-C充電線，電池是不可更換的，這種高瓦數輸出的電池通常都會比較短命，不知道實際可以稱多久。

吸力部分我覺得還可以，畢竟這設計不是來取代專業的吸塵器，但對一些"肉眼"看的到的毛髮灰塵都還是挺夠用的，畢竟不是要拿來打掃整個地板與房間，只是住外面對一些個人的空間進行清理。

        但設計上我以為米家會加兩顆LED燈座當作手電筒或吸塵的時候可以照明，沒想到竟然沒有，這有點不夠米家。

        稍微吸一下就吸了一推毛髮與灰塵，吸力感覺還可以，本身集塵容器可以整個拆下來用水清洗，濾網是說明書是說可以水洗，但建議三個月更換一次，查了一下價格兩個350台幣左右，但實用性就一般，如果是家裏要用其實買一般手持的吸塵器比較萬用，但這小東西還是有一些適合的場所，例如可以帶到辦公室清清鍵盤與辦公環境，但現在都是Work from Home。

不只是灰塵還可以吸蟑螂

        平常家裡都會有不速之客小強跑來跑去，用掃把除了灰塵四處飛以外，打死了還會噴汁，這時候隨手一吸簡單俐落，但取出來有點麻煩，畢竟還是活的一打開就跑出來..不知道蟑螂多久沒吃東西會掛掉呢?

輕裝上路 黑科技? GaN (Baseus倍思 GaN迷你65W快充充電頭) + LG gram + 小米20000mA PD行動電源

         最近新聞很夯很喜歡在講第三代半導體材料GaN/SiC會全面取代第一代這種新聞標題，但你有沒有想過現在台積電最夯的5奈米，3奈米Si製成是第幾代呢? 其實他是第一代第二代是誰可能都沒人想得起來，其實GaN目前應用的領域目前不在數位邏輯元件上面，大部分都是在功率元件，像最近紅到不行的電動車，基地台功率放大器這領域，身為一個沒有什麼錢的科技宅也是要來跟風一下。

        車子買不起買了也不會拆，各位觀眾第三代半導體GaN充電頭(WTF就一個充電頭)，小米雷軍也是拿這個來說嘴[0] 拆解报告：小米GaN充电器Type-C 65W，我上網買了Baseus倍思，多了一個Type-C與Type-A 標準接頭，體積真的很小，而且這種細長方型的設計，不會像也有充電器會卡住旁邊的插座不能使用的問題。

        現在很多輕薄筆電都支援支援Typc-C PD充電口，包含潮度爆表的Apple MacBook/Air，但Apple MacBook Air 對我來說螢幕太小，也不夠輕巧，所以選了LG gram 15.6吋+80Wh的電池機身竟然才1150公克(我多裝了一條記憶體跟一條SSD)，其實LG本身充電器已經很輕了243公克，但輸出功率更高的Baseus倍思GaN充電器加上充電線157公克，硬生生輕了86公克，別小看這86公克，一個包包東加西加還是會很有重量的。

出國出差一個包包裡面一個充電頭，一個小米20000mA支援PD充電，可以充手機也可以充筆電，雖然可能沒辦法充飽一次LG 80Wh的電池，但LG要沒電也不容易，不用在多帶一顆簡約出門。

酒店休息的時候就可以同時充筆電，還有小米行動電源還有Beaseus都支援18W充電，速度很快，另外手機與手錶可以利用行動電源的兩個USB孔來充電，一個搞定。

哥吉拉: 18W大丈夫

Buck Converter 降壓電路

        但GaN憑什麼可以弄得這麼小，後來研究一下現在的快充電路都支援高電壓低電流的模式，家用的插座可能是110V or 220V，經過ACDC專換電路變成一個較高的直流電壓例如24V，然後再透過控制器降到適合的電壓20V, 12V 5V等等。

       下圖從[1] TI Application Note Basic Calculation of a Buck Converter's Power Stage可以了解整降壓電路的工作原理，核心在SW與L電感身上，透過SW開關的時間控制Vout的輸出電壓，如果還是不理解沒關係，讓我們複習一下[2] 儲能元件電容與電感，電感能像電容一樣先充電等一下再用嗎? Energy Storage Passive Elements Capacitor and Inductor電感這個元件。

        電感雖然用三用電表會逼逼叫(DC Short)，但當電壓跨在電感兩端的時候，電流不會突然暴衝，電感L愈大充電電流就越慢，反之放電的過程也一樣，透過控制充電與放電的時間，便可以整體的輸出平均電壓。

        想要了解的朋友可以看參考[3] YouTube 電力電子導論_郭政謙_單元5 直流升降壓電路_2. 降壓截波電路分析[4] YouTube Power Electronics - Buck Converter Design Example - Part 1，但這裡簡單整理重點是

D為Duty Cycle Ton/Toff的時間

Vin為輸入電壓

Vo為設定的輸出電壓

∆𝐼 是代表全力輸出時候電流的Ripple，例如負載為2R，Vo為5V，平均輸出電流為5/2=2.5A，但實際流過電感的最大與最小電流差，一般希望越小越好。

fs 為SW的開關頻率

所以當我們全部的參數Vin, Vin, D與∆𝐼 後，然後剩下電感值與fs，從結果來看當頻率fs越高電感L就愈小。當電感小尺寸就會縮小，電感寄生的電阻也會比較小。

        另外輸出電榮Cout的大小也是一樣，當頻率fs固定我們希望輸出電壓Ripple ∆Vo要小的時候，Cout就要約大，但是反過來看當我們固定∆Vo的規格，當頻率fs越高Cout就越小，尺寸也會變小。

所以看起來頻率越高電感與電容都不用這麼大，就可以維持一樣的尺寸，但一定有他的問題在，不然為什麼大家不這麼做就好了? 當然這麼簡單就好了[5] 開關頻率的考慮點這篇整理出Pros and Cons，其實什麼都好就是第二點。

效率會下降: 起因於開關損失

開關損失 Switching Loss

        [6] Power Electronics - Switching Losses in a MOSFET[7] 降壓轉換器效率之分析這兩篇分析的重點是，可以看到Vgs會停到Vpl  (Miller Plateau)後在一段時間在爬升，這讓SW在開關的瞬間暫態響應會讓VDS*IDS不等於零，也就是會有功耗損耗在電晶體上面。雖然暫態時間很短，但如果頻率很快那這段時間的比例就會提高，但GaN靠著優異的體質讓頻率相同的情況下效率更高，換言之在一樣效率下可以縮小整個元件的尺寸大小。

參考文獻

[0] 拆解报告：小米GaN充电器Type-C 65W

[1] TI Application Note Basic Calculation of a Buck Converter's Power Stage
[2] 儲能元件電容與電感，電感能像電容一樣先充電等一下再用嗎? Energy Storage Passive Elements Capacitor and Inductor

[3] YouTube 電力電子導論_郭政謙_單元5 直流升降壓電路_2. 降壓截波電路分析

[4] YouTube Power Electronics - Buck Converter Design Example - Part 1

[5] 開關頻率的考慮點

[6] Power Electronics - Switching Losses in a MOSFET

[7] 降壓轉換器效率之分析

開箱: 小米濾水壺 vs 3M 濾水壺 中美濾水壺 殘酷大對決 米家濾水壺值不值得買?

        之前買過3M濾水壺濾心用完了，上網買新的時候看到小米也有出濾水壺，米家的東西大部分都是貼牌的，但是價格通常都很殺，看到PCHOME同一個時間三個賣價小米賣495 NTD，3M賣755 NTD，算起來小米便宜52%，但如果把官方可以過濾的數據算進來，小米每顆濾心號稱可過濾50L，3M每顆可過濾240L，這樣一年過濾1000L來算其實小米貴蠻多的。

        但這種數據說實在也不一定準，畢竟也不知道每一家可過濾的水量原水是用什麼標準，畢竟光台灣南北的自來水水質就差異很大，但一開始買的時候覺得有便宜到就是了。

規格與價格

        但都買了就用用看了，外觀給我的印象說實在就是致敬BRITA，從濾水壺本身到濾心設計處處可以看到BRITA的影子，但上次比較過3M後家裡主力就從BRITA換成3M了，主要是濾水壺與濾心的設計我個人比較喜歡，軟水效果比較好。

外觀設計

     
         現在美中貿易戰大的兇，大家都關注在科技戰，這種民生用品每天都要用的也來小小PK Benchmark一下，這次都是用了全新的濾心，今天新竹湳雅淨水場(Nanya)監控的水值還是偏硬，餘氯小於1ppm，這個下大雨缺水的時候會比較高一些。
自由有效餘氯(mg/L)： 0.72
總硬度(mg/L)： 155

餘氯測試 Chlorine Test 

        這網路上都買的到的TOYO餘氯測試紙Chlorine Test Paper，但這個應該要有兩個規格10-50ppm與25-200ppm，因為家裡的餘氯理論上都要小於1ppm，所以買10-50ppm應該比較敏感，而且甚至都測試不到才對，但結果挺令人意外的，中間是原水部分可以看到很明顯顏色介於50-100ppm，詳細數值很難確定，但相對值可以看到小米有一定的效果，過濾後顏色還˙是有一點紅紅的，但是明顯比沒過濾的原水好很多，但還是可以看出來效果還是3M比較好。

       另外我們用餘氯檢測試劑測試起來看起來原水餘氯是在1.0ppm左右，這個算符合自來水廠表準，果然用25-200pmm餘氯試紙絕對值不太準，但可以看出來小米濾水壺對餘氯是有效果還雖然比3M差，但已經小於<0.2ppm。

TDS 軟水效果

        小米濾水壺測試起來跟原本3M vs BRITA的測試結果很類似，3M一樣提供穩定的軟水效果，小米真的跟BRITA很像，無論是外觀設計還有軟水效果，還真的是一模一樣，最後測試完全不負責任口感測試，把過濾過一次的水煮沸後後然比較口感，說實在不知道是心理因素還是真的喝得出來，沒有過濾過的水很起來比較沒那麼順.....好吧我承認這太抽象了，但3M與小米喝不出差異，但可能都是新的濾芯，所以效果都是最威的時候。
        最後我覺得從帳面數據我還是偏愛3M的濾心，主要我還是喜歡軟水效果比較好的濾水壺，還有帳面數據其實小米也沒有真的便宜到，但這兩個濾水壺會交叉用一陣子，三個月後再來比較看看效果衰減的速度。

交替使用一個月後

        在交替使用一個月後，平均每天大約會過濾1-2次，用感覺來計算其實還不到小米宣稱50公升的用水量，但也差不沒多少，而且濾水壺上面的更換提醒也亮了，這個看起來是一個月的計數器。

        一樣用餘氯測試紙與TDS過濾三次來觀察濾心的壽命狀況，第一個餘氯測試紙在使用一個月後的3M效果還是很好，小米還是可以觀察出有效果，但效果已經明顯打折。

使用一個月後比較

        TDS過濾三次測試試驗，今天的自來水源為170比上次測試得來的高，可以很明顯看出小米在使用4週也就是一個月後濾心的確已經沒什麼效果，但3M的確還維持的不錯的軟水效果，的確效果應該可以維持到2-3個月的時間。

        所以這樣比較起來雖然小米的濾心便宜很多，但實際計算濾水量計算後其實貴蠻多的，所以並不推薦小米濾水壺，這次原本1111購物節要買一些的，但看起來這濾水壺用完這一個月也要放到收納櫃裡了。

使用一個月後比較