分解4G智能手機(jī)天線設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

2010年全球移動(dòng)數(shù)據(jù)消費(fèi)量增長(zhǎng)了2.6倍。這是移動(dòng)數(shù)據(jù)使用量連續(xù)三年接近3倍的增幅。到2015年，全球移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量有望增長(zhǎng)到2010年的26倍。導(dǎo)致這種戲劇性增長(zhǎng)的關(guān)鍵因素之一是智能手機(jī)和平板電腦的快速普及。全球移動(dòng)數(shù)據(jù)用戶希望他們的設(shè)備在全球任何地方都能高速聯(lián)網(wǎng)?！　?/p>本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/154914.htm

這種期望給網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備性能帶來了巨大的負(fù)擔(dān)。在移動(dòng)數(shù)據(jù)設(shè)備中，天線是“接觸”網(wǎng)絡(luò)的唯一部件，優(yōu)化天線性能變得越來越重要。然而，智能手機(jī)和平板電腦中的4G天線設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)十分艱巨。盡管應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)有多種可行的解決方案，但每一種都會(huì)有潛在的性能折衷。　　

4G天線設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)　　

有許多因素會(huì)影響手持移動(dòng)通信設(shè)備的天線性能。雖然這些因素是相關(guān)的，但通?？梢苑殖扇箢悾禾炀€尺寸、多副天線之間的互耦以及設(shè)備使用模型?！　?/p>

天線尺寸天線尺寸取決于三個(gè)要素：工作帶寬、工作頻率和輻射效率。今天的帶寬要求越來越高，其推動(dòng)力來自美國(guó)的FCC頻率分配和全球范圍內(nèi)的運(yùn)營(yíng)商漫游協(xié)議；不同地區(qū)使用不同的頻段。“帶寬和天線尺寸是直接相關(guān)的”且“效率和天線尺寸是直接相關(guān)的”--這通常意味著，更大尺寸的天線可以提供更大的帶寬和更高的效率?！　?/p>

除了帶寬外，天線尺寸還取決于工作頻率。在北美地區(qū)，運(yùn)營(yíng)商Verizon Wireless和ATT Mobility選擇推廣的LTE產(chǎn)品工作在700MHz頻段，這在幾年前是FCC UHF-TV再分配頻段的一部分。這些新的頻段(17，704－746MHz和13，746－786MHz)比北美使用的傳統(tǒng)蜂窩頻段(5，824－894MHz)要低。這個(gè)變化是巨大的，因?yàn)轭l率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，因而需要更長(zhǎng)的天線才能保持輻射效率不變。為了保證輻射效率，天線尺寸必須做大。然而，設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還需要增加更大的顯示器和更多的功能，因此可用的天線長(zhǎng)度和整個(gè)體積受到極大限制，從而降低了天線帶寬和效率?！　?/p>

天線間互耦更新的高速無線協(xié)議要求使用MIMO(多入多出)天線。MIMO要求多根天線(通常是兩根)同時(shí)工作在相同頻率。因此，話機(jī)設(shè)備上需要放置多根天線，這些天線要同時(shí)工作且相互不能有影響。當(dāng)兩根或更多天線位置靠得很近時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一種被稱為互耦的現(xiàn)象?！　?/p>

舉例說明，移動(dòng)平臺(tái)上緊鄰放置兩根天線。從天線1輻射出來的一部分能量將被天線2截獲，截獲到的能量將在天線2的終端中損耗掉，無法得到利用，這可以用系統(tǒng)功率附加效率(PAE)的損耗來表示。根據(jù)互換性原理，這種效應(yīng)在發(fā)送和接收模式中是相同的。耦合幅度反比于天線的分隔距離。對(duì)于手機(jī)實(shí)現(xiàn)而言，MIMO和分集應(yīng)用中工作在相同頻段的天線之間的距離可以是1/10波長(zhǎng)或以下。例如，750MHz時(shí)的自由空間波長(zhǎng)是400mm。當(dāng)間隔很小時(shí)，比如遠(yuǎn)小于一個(gè)波長(zhǎng)，則耦合程度會(huì)很高。天線之間耦合的能量是無用的，只會(huì)降低數(shù)據(jù)吞吐量和電池壽命?！　?/p>

設(shè)備使用模型與傳統(tǒng)手機(jī)相比，智能手機(jī)和平板電腦的使用模型有很大變化。除了正常工作外，這些設(shè)備還要滿足電磁波能量吸收比(SAR)和助聽器兼容性(HAC)法規(guī)要求。　　

使用模型的另一個(gè)方面是消費(fèi)內(nèi)容的類型。諸如大型多人在線角色扮演游戲(MMORPG)和實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)流等視頻密集型移動(dòng)應(yīng)用不斷推動(dòng)數(shù)據(jù)使用率飆升。據(jù)ABI Research預(yù)測(cè)，從2009年到2015年，西歐和北美地區(qū)數(shù)據(jù)使用率有望分別以42%和55%的年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)增長(zhǎng)。這些相似的應(yīng)用正在驅(qū)動(dòng)制造商生產(chǎn)出更大尺寸、更高分辨率的顯示屏。數(shù)據(jù)使用率的提高也在悄然改變消費(fèi)者對(duì)這些設(shè)備的手持方式。例如，對(duì)于游戲應(yīng)用來說，使用者必須用兩手緊握設(shè)備兩頭，而其它應(yīng)用程序可能根本無需用手握住設(shè)備?！　?/p>

越來越大的顯示屏和使用者抓握方式的改變，使得為天線輻射單元找一個(gè)不被顯示屏或用戶手掌阻擋的好位置變得越來越困難。除了這些約束外，設(shè)備制造商希望產(chǎn)品系列擁有更少的SKU(最小存貨單位)，而且開發(fā)出能夠在全球任何地方工作的平臺(tái)是此類產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)。　　

解決方案　　

為了實(shí)現(xiàn)全球通用，智能手機(jī)或平板電腦必須能在各種頻段和協(xié)議下工作。當(dāng)然，并不要求同時(shí)在所有頻段和協(xié)議下工作，因此可以開發(fā)一種能調(diào)整到目標(biāo)工作頻段的天線系統(tǒng)。這種狀態(tài)調(diào)諧式天線可被稱為“智能天線”或“自適應(yīng)天線”。其基本原理是，將瞬時(shí)工作頻率限制為一個(gè)或兩個(gè)感興趣的窄帶頻段，以滿足特定地區(qū)的協(xié)議要求。這樣，對(duì)寬帶工作的要求就降低了，允許天線被裝進(jìn)更為緊湊的空間，同時(shí)又不犧牲輻射效率?！　?/p>

有兩種基本方法進(jìn)行天線調(diào)諧：饋點(diǎn)匹配和孔徑調(diào)諧。不過，有許多因素會(huì)影響到這些方法的實(shí)現(xiàn)決策，目前還沒有一個(gè)單獨(dú)的解決方案能適合每種應(yīng)用?！　?/p>

饋點(diǎn)匹配饋點(diǎn)匹配可用于許多天線實(shí)現(xiàn)中，無論是可調(diào)諧還是不可調(diào)諧。匹配電路的主要功能是，在寬范圍的工作條件下，實(shí)現(xiàn)天線終端阻抗與無線電系統(tǒng)其余部分阻抗(通常是50Ω)的匹配。典型的可調(diào)諧匹配實(shí)現(xiàn)，使用并聯(lián)或串聯(lián)可變電容作為阻抗匹配電路的一部分。調(diào)整電容容量可以改變目標(biāo)電路的諧振頻率?！　?/p>

根據(jù)所需的天線尺寸來壓縮和調(diào)諧范圍，一般需要較大范圍的容量變化以實(shí)現(xiàn)頻率遷移，因此通常要求多個(gè)調(diào)諧元件和/或?qū)挿秶恼{(diào)諧值。圖1給出使用可變?cè)奶炀€饋點(diǎn)匹配電路。

圖1：采用可變阻抗匹配電路的固定式寬帶天線

孔徑調(diào)諧孔徑調(diào)諧是通過改變輻射元件的諧振結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。典型的實(shí)現(xiàn)方式是采用一個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)來選擇天線結(jié)構(gòu)上的不同負(fù)載元件。開關(guān)負(fù)載元件會(huì)影響天線的電氣長(zhǎng)度，從而改變諧振頻率。圖2是采用固定阻抗匹配電路的可變狀態(tài)、孔徑調(diào)諧天線的交流電路模型。

圖2：采用固定饋點(diǎn)匹配電路的可變狀態(tài)天線

不論是采用饋點(diǎn)匹配還是孔徑調(diào)諧方法，如果天線同時(shí)用于發(fā)射和接收，那么調(diào)諧器件就必須能夠承受最大發(fā)射功率，而且要能保持良好的性能特征。

案例說明　　

下面這個(gè)例子很好地說明了調(diào)諧方法在天線體積減小方面帶來的好處。這里用3D電磁建模程序分析兩種不同的天線配置：一種是寬帶設(shè)計(jì)；另一種是可以在相同頻率范圍內(nèi)調(diào)諧，但使用了4個(gè)調(diào)諧狀態(tài)的窄帶設(shè)計(jì)?！　?/p>

圖3a顯示了一個(gè)50x6x14mm的7頻段天線配置，以及從700MHz至960MHz的較低三波段頻譜范圍內(nèi)的相關(guān)輻射效率。圖3b顯示了相似的但體積更小(50x6x7mm)的天線配置。從圖中可以看出，使用4個(gè)狀態(tài)的調(diào)諧電路，可以產(chǎn)生幾乎與較大的寬帶天線相同的效率，以及整體頻率覆蓋率。

圖3：在700MHz至960MHz范圍內(nèi)，a)多頻段天線 和 b)調(diào)諧天線的體積和輻射效率的比較(天線尺寸單位:mm)。

從圖3示例可以清楚看到，通過將天線調(diào)諧到某一種狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)支持特定的一組頻段，就可以實(shí)現(xiàn)天線物理體積的減半。在天線工作時(shí)，如要改變工作頻段，只需改變狀態(tài)即可。但這種改變所需的時(shí)間必須與無線電系統(tǒng)中其它功能的要求相一致。典型要求是10ms至20ms或更短時(shí)間。

互耦效應(yīng)同時(shí)工作在相同頻率的相鄰天線間會(huì)產(chǎn)生互耦效應(yīng)，這可以通過隔離技術(shù)加以減輕。最常用的技術(shù)是在物理上將天線彼此分開。隨著間隔距離的增加，互耦效應(yīng)將隨之減弱。不過，對(duì)于手持設(shè)備來說，很難提供足夠的間距來減弱互耦效應(yīng)。在這種情況下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要采用其它不同的天線解決方案來達(dá)到規(guī)范要求的性能指標(biāo)?！　?/p>

還有一種可行的解決方案，使用SkyCross公司提供的隔離模式天線技術(shù)(iMAT)，從相同的天線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生兩種不同的模式。iMAT天線結(jié)構(gòu)放置在手機(jī)的一端；兩個(gè)饋點(diǎn)分別運(yùn)行不同的輻射模式。這兩個(gè)饋點(diǎn)是相互隔離的，不會(huì)發(fā)生互耦導(dǎo)致的損耗，因此每種模式的效率都很高。另外，輻射圖案是不同的，因此會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較低的相關(guān)系數(shù)。圖4描述了iMAT天線的實(shí)現(xiàn)原理，從圖中可以看到，在相同天線結(jié)構(gòu)上的兩個(gè)饋點(diǎn)之間的隔離。

圖4、iMAT天線實(shí)現(xiàn)原理

使用模型　　

為了緩解各種使用模型的影響，有必要將狀態(tài)調(diào)諧和模式隔離兩種方法結(jié)合運(yùn)用。模式隔離允許具有多個(gè)饋點(diǎn)的單天線結(jié)構(gòu)執(zhí)行多個(gè)MIMO天線的功能；而狀態(tài)調(diào)諧則允許這種結(jié)構(gòu)非常小，但仍然能夠非常高效地在寬頻率范圍內(nèi)工作。圖5顯示了以6個(gè)調(diào)諧狀態(tài)覆蓋多個(gè)頻段的可變狀態(tài)iMAT天線結(jié)構(gòu)的平均測(cè)量效率。iMAT結(jié)構(gòu)能在平衡或不平衡的增益配置下工作，并且與傳統(tǒng)天線設(shè)計(jì)技術(shù)相比，能以更小的封裝提供更高的性能。

圖5：覆蓋所有3G/ 4G應(yīng)用，且具有兩個(gè)MIMO天線端口的狀態(tài)調(diào)諧式iMAT結(jié)構(gòu)

對(duì)于復(fù)雜的智能手機(jī)和平板電腦設(shè)備，要實(shí)現(xiàn)高效天線系統(tǒng)，就必須克服巨大挑戰(zhàn)。新興的LTE和其它4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋了700MHz至2700MHz的不同頻段。這些新的頻率將增加到傳統(tǒng)3G頻段中，以滿足全球移動(dòng)漫游和兼容性要求?！　?/p>

先進(jìn)的無線網(wǎng)絡(luò)通過在用戶設(shè)備中使用MIMO來提高數(shù)據(jù)吞吐量。此外，諸如在線游戲和視頻流等數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用正在催生更大的顯示器和種類廣泛的使用模型。這也給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來更多難題，例如要在設(shè)備上找到足夠空間來實(shí)現(xiàn)多頻段多天線系統(tǒng)。幸運(yùn)的是，狀態(tài)調(diào)諧和iMAT等先進(jìn)的天線設(shè)計(jì)技術(shù)可以幫助設(shè)計(jì)人員從容應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，靈活實(shí)現(xiàn)外觀時(shí)尚、功能豐富的移動(dòng)設(shè)備，并提供真正的4G網(wǎng)絡(luò)性能。