4G智能手機天線設計挑戰(zhàn)

2010年全球移動數(shù)據(jù)消費量增長了2.6倍。這是移動數(shù)據(jù)使用量連續(xù)三年接近3倍的增幅。到2015年，全球移動數(shù)據(jù)業(yè)務量有望增長到2010年的26倍。導致這種戲劇性增長的關(guān)鍵因素之一是智能手機和平板電腦的快速普及。全球移動數(shù)據(jù)用戶希望他們的設備在全球任何地方都能高速聯(lián)網(wǎng)。

　　這種期望給網(wǎng)絡和設備性能帶來了巨大的負擔。在移動數(shù)據(jù)設備中，天線是“接觸”網(wǎng)絡的唯一部件，優(yōu)化天線性能變得越來越重要。然而，智能手機和平板電腦中的4G天線設計所面臨的挑戰(zhàn)十分艱巨。盡管應對這些挑戰(zhàn)有多種可行的解決方案，但每一種都會有潛在的性能折衷。

　　4G天線設計挑戰(zhàn)

　　有許多因素會影響手持移動通信設備的天線性能。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備使用模型。

　　天線尺寸 天線尺寸取決于三個要素：工作帶寬、工作頻率和輻射效率。今天的帶寬要求越來越高，其推動力來自美國的FCC頻率分配和全球范圍內(nèi)的運營商漫游協(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。

　　除了帶寬外，天線尺寸還取決于工作頻率。在北美地區(qū)，運營商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。這個變化是巨大的，因為頻率越低，波長越長，因而需要更長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，設備系統(tǒng)設計人員還需要增加更大的顯示器和更多的功能，因此可用的天線長度和整個體積受到極大限制，從而降低了天線帶寬和效率。

　　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)同時工作在相同頻率。因此，話機設備上需要放置多根天線，這些天線要同時工作且相互不能有影響。當兩根或更多天線位置靠得很近時，就會產(chǎn)生一種被稱為互耦的現(xiàn)象。

　　舉例說明，移動平臺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。對于手機實現(xiàn)而言，MIMO和分集應用中工作在相同頻段的天線之間的距離可以是1/10波長或以下。例如，750MHz時的自由空間波長是400mm。當間隔很小時，比如遠小于一個波長，則耦合程度會很高。天線之間耦合的能量是無用的，只會降低數(shù)據(jù)吞吐量和電池壽命。

　　設備使用模型 與傳統(tǒng)手機相比，智能手機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。

　　使用模型的另一個方面是消費內(nèi)容的類型。諸如大型多人在線角色扮演游戲(MMORPG)和實時視頻數(shù)據(jù)流等視頻密集型移動應用不斷推動數(shù)據(jù)使用率飆升。據(jù)ABI Research預測，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%的年復合增長率(CAGR)增長。這些相似的應用正在驅(qū)動制造商生產(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者對這些設備的手持方式。例如，對于游戲應用來說，使用者必須用兩手緊握設備兩頭，而其它應用程序可能根本無需用手握住設備。

　　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是此類產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。

　　解決方案

　　為了實現(xiàn)全球通用，智能手機或平板電腦必須能在各種頻段和協(xié)議下工作。當然，并不要求同時在所有頻段和協(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“自適應天線”。其基本原理是，將瞬時工作頻率限制為一個或兩個感興趣的窄帶頻段，以滿足特定地區(qū)的協(xié)議要求。這樣，對寬帶工作的要求就降低了，允許天線被裝進更為緊湊的空間，同時又不犧牲輻射效率。

　　有兩種基本方法進行天線調(diào)諧：饋點匹配和孔徑調(diào)諧。不過，有許多因素會影響到這些方法的實現(xiàn)決策，目前還沒有一個單獨的解決方案能適合每種應用。

　　饋點匹配 饋點匹配可用于許多天線實現(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電路的諧振頻率。

　　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現(xiàn)頻率遷移，因此通常要求多個調(diào)諧元件和/或?qū)挿秶恼{(diào)諧值。圖1給出使用可變元件的天線饋點匹配電路。

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)實現(xiàn)的。典型的實現(xiàn)方式是采用一個簡單的開關(guān)來選擇天線結(jié)構(gòu)上的不同負載元件。開關(guān)負載元件會影響天線的電氣長度，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：采用固定饋點匹配電路的可變狀態(tài)天線

不論是采用饋點匹配還是孔徑調(diào)諧方法，如果天線同時用于發(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：一種是寬帶設計；另一種是可以在相同頻率范圍內(nèi)調(diào)諧，但使用了4個調(diào)諧狀態(tài)的窄帶設計。

　　圖3a顯示了一個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)，每個狀態(tài)支持特定的一組頻段，就可以實現(xiàn)天線物理體積的減半。在天線工作時，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或更短時間。

　　互耦效應 同時工作在相同頻率的相鄰天線間會產(chǎn)生互耦效應，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，互耦效應將隨之減弱。不過，對于手持設備來說，很難提供足夠的間距來減弱互耦效應。在這種情況下，系統(tǒng)設計人員需要采用其它不同的天線解決方案來達到規(guī)范要求的性能指標。

　　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)放置在手機的一端；兩個饋點分別運行不同的輻射模式。這兩個饋點是相互隔離的，不會發(fā)生互耦導致的損耗，因此每種模式的效率都很高。另外，輻射圖案是不同的，因此會產(chǎn)生一個較低的相關(guān)系數(shù)。圖4描述了iMAT天線的實現(xiàn)原理，從圖中可以看到，在相同天線結(jié)構(gòu)上的兩個饋點之間的隔離。

圖4、iMAT天線實現(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)合運用。模式隔離允許具有多個饋點的單天線結(jié)構(gòu)執(zhí)行多個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個調(diào)諧狀態(tài)覆蓋多個頻段的可變狀態(tài)iMAT天線結(jié)構(gòu)的平均測量效率。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)天線設計技術(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應用，且具有兩個MIMO天線端口的狀態(tài)調(diào)諧式iMAT結(jié)構(gòu)

對于復雜的智能手機和平板電腦設備，要實現(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，以滿足全球移動漫游和兼容性要求。

　　先進的無線網(wǎng)絡通過在用戶設備中使用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)設計人員帶來更多難題，例如要在設備上找到足夠空間來實現(xiàn)多頻段多天線系統(tǒng)。幸運的是，狀態(tài)調(diào)諧和iMAT等先進的天線設計技術(shù)可以幫助設計人員從容應對上述挑戰(zhàn)，靈活實現(xiàn)外觀時尚、功能豐富的移動設備，并提供真正的4G網(wǎng)絡性能。

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