4G智能手機(jī)天線設(shè)計(jì)的解決方案

1、4G智能手機(jī)天線設(shè)計(jì)的解決方案2010年全球移動(dòng)數(shù)據(jù)消費(fèi)量增長(zhǎng)了倍。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)。這種期望給網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備性能帶來(lái)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(lái)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

2、。雖然這些因素是相關(guān)的，但通常可以分成三大類(lèi)：天線尺寸、多副天線之間的互耦以及設(shè)備使用模型。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(lái)越高，其推動(dòng)力來(lái)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?！皫捄吞炀€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(yùn)營(yíng)商VerizonWireless和AT&TMobility選擇推廣的LTE產(chǎn)品工作在700MHz頻段，這在幾年前是FCCUHF-TV再分配頻段的一部分

3、。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。天線間互耦更新的高速無(wú)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

4、一種被稱(chēng)為互耦的現(xiàn)象。舉例說(shuō)明，移動(dòng)平臺(tái)上緊鄰放置兩根天線。從天線1輻射出來(lái)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(wú)法得到利用，這可以用系統(tǒng)功率附加效率（PAE）的損耗來(lái)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(wú)用的，只會(huì)降低數(shù)據(jù)吞吐量和電池壽命。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

5、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(tīng)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(lèi)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)ABIResearch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(lái)說(shuō)，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(wú)需用手握住設(shè)備。越來(lái)越大的

6、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(lái)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(kāi)發(fā)出能夠在全球任何地方工作的平臺(tái)是此類(lèi)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(kāi)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(chēng)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

7、，同時(shí)又不犧牲輻射效率。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(guò)，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(méi)有一個(gè)單獨(dú)的解決方案能適合每種應(yīng)用。饋點(diǎn)匹配饋點(diǎn)匹配可用于許多天線實(shí)現(xiàn)中，無(wú)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(wú)線電系統(tǒng)其余部分阻抗（通常是50Q）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。根據(jù)所需的天線尺寸來(lái)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

8、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(guò)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(kāi)關(guān)來(lái)選擇天線結(jié)構(gòu)上的不同負(fù)載元件。開(kāi)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)天線儼八不論是采用饋點(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(shuō)明下面這個(gè)例子很好地說(shuō)明了調(diào)諧方法在天線體積減小方面帶來(lái)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

9、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)。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?。?0x6x7mm）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。irnIm圖3:在700MHz至960MHz范圍內(nèi)a）多頻段天線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(guò)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

10、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(wú)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?；ヱ钚?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(guò)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(kāi)。隨著間隔距離的增加，互耦效應(yīng)將隨之減弱。不過(guò)，對(duì)于手持設(shè)備來(lái)說(shuō)，很難提供足夠的間距來(lái)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(lái)達(dá)到規(guī)范要求的性能指標(biāo)。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

11、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。50mmAiennIsolaiionKoJatKn也highindtcstirkg幻*utualC&l.口1舊口圖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。:|q|RF|ri|4|RJI*R4*Tr"t*>I*Pt*»WiFHULMitai-!.1kawKivjAmir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