如何系統(tǒng)地實現(xiàn)用于LTE無線設備的高級天線架構

隨著其連接可靠性和傳輸速度的大幅提高，LTE正迅速在世界各地發(fā)展起來。根據(jù)全球移動供應商協(xié)會(GSA)的數(shù)據(jù)顯示，目前已有超過318個LTE網(wǎng)絡在111個國家和地區(qū)投入商用，并且在今年年底預計商用的LTE網(wǎng)絡總數(shù)將超過350個。

在已經(jīng)商用和正在計劃的所有這些LTE網(wǎng)絡中有一個共性，它們同樣需要實現(xiàn)LTE的多輸入，多輸出(MIMO)需求。這些MIMO的需求會延展到基站和終端 設備中。在終端設備的案例中，有幾個原因使得MIMO成為挑戰(zhàn)，包括：需要多個天線，持續(xù)不斷變薄的趨勢，史無前例的頻帶分離，運營商對低頻的偏愛，以及 在射頻設計中缺乏經(jīng)驗。

3G僅需要一個天線，而MIMO技術卻需要至少兩個天線。天線的數(shù)量會隨著MIMO設計成4×4和8×8而增加。為多個LTE天線(包括3G/2G備用天線、GPS、Wi-Fi、藍牙和NFC)，找尋空間變得更加困難。而高階MIMO設計又與更輕薄的設備產(chǎn)生沖突。

隨 著設備變得更加輕薄，智能手機和平板電腦的內部空間正以每年25%的速度銳減。顯示屏和電池獲得了最高優(yōu)先級，而諸如處理器、內存、天線系統(tǒng)和其他部件只 能來爭奪剩余的空間。一方面是更薄的趨勢，另一方面是MIMO和低頻帶(例如700MHz)需要物理尺寸更大的天線配置，要同時滿足這兩個需求，這給原始 設備制造商們(OEM)以及他們的設計團隊帶來不可忽視的壓力。

LTE的工作頻段超過40個，覆蓋了從450MHz到 2.7GHz，其中大約一半已經(jīng)用于現(xiàn)有的設備中。為智能手機或平板電腦建立LTE制式的全球性漫游，需要支持到至少40個頻段，在LTE還未覆蓋到的區(qū) 域則降級為相應的3G制式 。在這些頻段中，即使是在任一個很小的子集頻段中，為必要的2×2或更多的MIMO尋找天線空間都是具有挑戰(zhàn)性的，再加上諸如Wi-Fi和其他技術的天線 時就顯得更加不容易了。

運營商們總是渴望更低的資本支出(CapEx)和運營成本(OpEx)，因此低頻段成為他們的最佳選 擇。通常的經(jīng)驗是更低的頻率和更低密度的基站會給運營商帶來更好的收益。較低的頻帶同樣能提供較好的室內覆蓋率，比如700MHz，在此頻段也可以適應迅 速成長的“物聯(lián)網(wǎng)”(IoT) 市場的需求，提供良好的無線網(wǎng)絡，這也是保證用戶滿意度的關鍵。運營商們目前正關注600MHz頻段在未來的使用機制。但是，較低的頻帶同樣需要物理尺寸 更大的天線，這就使得OEM廠商和他們的射頻供應商在其更為輕薄的智能手機中放置天線時必須更有創(chuàng)造性。IoT設備同樣也存在天線空間限制的情況。

隨 著LTE技術的普及率上升，設備供應商在其產(chǎn)品中加入LTE的時候壓力也隨之而來。僅僅是因為跟隨新技術的學習曲線(learning curve)就足以給經(jīng)驗豐富的智能手機供應商帶來挑戰(zhàn)。而對于眾多在M2M和IoT只有較少經(jīng)驗或者毫無經(jīng)驗的供應商來說，在產(chǎn)品中植入蜂窩技術便存在 更多的挑戰(zhàn)。

OEM廠商和他們的射頻供應商不僅僅是要應對這些挑戰(zhàn)，而更重要的，是利用創(chuàng)新的解決方案來更有效地工作，同時在市場差異化中獲得優(yōu)勢。

有源天線和射頻解決方案：實現(xiàn)更好的靈活性、可靠性和性能

有 源天線系統(tǒng)能夠幫助OEM廠商和他們的射頻供應商更有效地工作。相比于傳統(tǒng)的無源天線，有源系統(tǒng)提供了在設計和性能上更高的靈活性。事實上，有源天線是適 應LTE的頻段分離和MIMO需求的最簡單的方式，它不僅能很好地滿足運營商偏愛低頻的需求，同時還能夠幫助契合越來越薄的設備。

單 獨一根的有源天線能夠覆蓋兩個或者兩個以上的LTE頻段，甚至那些相隔很遠的頻段也沒有問題，比如頻段17(704MHz到746MHz)和頻段 41(2496MHz到2690MHz)。單饋有源天線(Single-feed active antennas)已經(jīng)發(fā)展為覆蓋所有從698MHz到2700MHz范圍內的LTE頻段。這一靈活性使得更多的運營商能發(fā)展LTE的演進版本(LTE- Advanced)，也就是能夠載波聚合。當分離的頻段變得更遠的時候，LTE-Advanced就更有挑戰(zhàn)性。系統(tǒng)設計者們越來越多地選擇有源天線系統(tǒng) 來應對這一挑戰(zhàn)。

有源天線系統(tǒng)給予了OEM廠商全新的選擇，以實現(xiàn)終端用戶所關注的諸如在語音、視頻和數(shù)據(jù)傳輸，以及在3G 和4G等情況下的可靠性和性能。不同于無源天線，有源天線系統(tǒng)能夠自動地重復調諧并且補償由于用戶頭、手所產(chǎn)生的去諧效應(detuning effects)。這就意味著，智能手機和平板設備在采用有源天線時，能更好地提供快速的上行鏈路和下行鏈路的連通性，同時也出現(xiàn)較少的掉話現(xiàn)象。良好的 可靠性和性能令OEM廠商的品牌受益。在智能手機的案例中，運營商同樣希望在品牌信譽和營業(yè)成本兩者中都可以受益，這樣它們的客服接到的投訴電話將會更少。

有源天線系統(tǒng)同時也能提升OEM廠商競的爭優(yōu)勢。例如，在新產(chǎn)品的設計階段，包括主板布局改變，或者設備有特殊需求(如 外形和性能調整)，有源天線系統(tǒng)都能夠動態(tài)調整，以適應這些不斷變化的環(huán)境條件。這將有效地減少新產(chǎn)品的成本，并將其交貨周期提前。OEM廠商可以最少化 其產(chǎn)品型號，因為有源系統(tǒng)的靈活性意味著它能夠適應每一個國家或用戶的頻帶。

定義理想的有源解決方案

由于有源天線系統(tǒng)為LTE MIMO的應用提供了許多優(yōu)勢，因此那么多射頻供應商正積極開發(fā)有源調試解決方案就顯得并不令人吃驚。越來越多的選擇也都有著其自身的挑戰(zhàn)：首先將解決方案確定下來，這會比先確定其他的諸如性能、可靠性、靈活性和易于集成等更加有效。

成功實現(xiàn)的關鍵在于一個系統(tǒng)的方案。這個方案需要通過天線、有源器件和算法同步設計和優(yōu)化作為完整的解決方案來實現(xiàn)最佳的性能。這個方法不只是提供給設備供 應商一個易于整合的解決方案，還能幫助其產(chǎn)品以最快的速度面市，以及獲得最低的成本。其他的方案則需要多個步驟去實現(xiàn)。首先，設備供應商需要分別獲取天線 和芯片，而這些部件不能最優(yōu)化的一起工作。其次，設備供應商必須集成各種器件、優(yōu)化軟件，集成各項到設備中并希望它們都能夠工作。這種方案將會是非常耗時 和昂貴的，并且還會延長學習曲線。同時，對于那些缺乏天線專業(yè)知識的芯片供應商和大多數(shù)沒有有源器件經(jīng)驗的天線公司來說，這種方案也可能難以獲得支持。

理想的方案是一個有一體化的模塊能夠有效節(jié)省成本，并被快速地添加到智能手機、平板電腦和其他無線設備中，而不是花費數(shù)周或者數(shù)月的時間。這種即插即用的設 計減少了OEM廠商的研發(fā)成本和產(chǎn)品上市時間，同時他們不必雇傭一個射頻團隊去處理那些相應的工作。后者的優(yōu)勢則特別適用于那些僅僅只是掌握有限的、甚至 毫無射頻經(jīng)驗的M2M和IoT設備的工程師們。

一種解決方案是有源阻抗匹配。這一項技術能夠在不影響性能的同時，將天線的物 理尺寸減少50%。這個尺寸的顯著減少是非常有意義的，尤其是在電池體積在持續(xù)增長的同時，還有額外的天線需要集成到設備中的時候。另外，這一技術能夠在 相同的天線體積的情況下用來覆蓋更寬的頻段。

理想的情況下，有源阻抗匹配應該完成在饋電點(feedpoint)而不是遠離 整個系統(tǒng)的地方，例如在收發(fā)芯片(transceiver chipset)中。在饋電點的設計將最大限度地提高性能，因為調試是要著眼于整個天線系統(tǒng)的。當調試放置在射頻鏈路后端很遠的地方，系統(tǒng)性能會對傳輸線 的電延時和損耗有不利的影響。

波段開關是另外一個重要的方式。也被稱作有源孔徑(active aperture)，這項技術能動態(tài)地改變天線振子的電長度從而改變其頻率響應。一種替代的方法已經(jīng)在前面的有源匹配中討論過，也就是在饋電點的調試電路 上改變天線的阻抗。這兩種方法的主要區(qū)別，有源孔徑/波段開關是一個用來粗調天線振子同時自動匹配在饋電點提供更優(yōu)化的頻率響應。

在過去，OEM廠商必須在兩種技術之間進行選擇，因為多個元件(例如可調電容和開關)造成的成本問題。然而新的有源器件消除了那些權衡的過程，而是融合一個 四端口的開關和一個可調電容器在一個單獨的射頻集成電路(RFIC)中。這個設計利用波段開關調節(jié)貫穿了幾百兆赫茲的頻域，并且利用可調匹配功能來微調阻 抗。LTE技術中最大的天線挑戰(zhàn)出現(xiàn)在1GHz以下，因為這個頻段對于天線尺寸最為敏感。有源天線系統(tǒng)技術將會著重去調諧這些較低的LTE頻帶。較高頻率 的性能在優(yōu)化這些高頻內置天線尺寸時就算不使用有源調節(jié)也比較容易實現(xiàn)。因此，它會更多的關注低頻的阻抗匹配，提供一種更為有效的解決方案。

芯片供應商通常會設計一個射頻集成電路(RFIC)去覆蓋盡可能多的頻段，適應盡可能多的天線類型和匹配盡可能多的阻抗。因此，設計就需要在性能和成本之間進行折衷。但是有著大量天線經(jīng)驗的供應商們知道，可調器件不能獨立地去補償一個很差的天線設計。同時一個富有經(jīng)驗的有源天線系統(tǒng)供應商也知道，為了實現(xiàn)最好的性能和最低廉的成本在設計一個天線和它的協(xié)調電路時同樣的重要。

隨著LTE逐漸普及，有源天線解決方案將會成為一個應對LTE的MIMO技術挑戰(zhàn)的必要的方案，同時幫助OEM們在競爭中具有脫穎而出，制造出更高性能的設備。