分解4G智能手機天線(xiàn)設計的挑戰

2010年全球移動(dòng)數據消費量增長(cháng)了2.6倍。這是移動(dòng)數據使用量連續三年接近3倍的增幅。到2015年，全球移動(dòng)數據業(yè)務(wù)量有望增長(cháng)到2010年的26倍。導致這種戲劇性增長(cháng)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(dòng)數據用戶(hù)希望他們的設備在全球任何地方都能高速聯(lián)網(wǎng)?！　?/p>本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/154914.htm

這種期望給網(wǎng)絡(luò )和設備性能帶來(lái)了巨大的負擔。在移動(dòng)數據設備中，天線(xiàn)是“接觸”網(wǎng)絡(luò )的唯一部件，優(yōu)化天線(xiàn)性能變得越來(lái)越重要。然而，智能手機和平板電腦中的4G天線(xiàn)設計所面臨的挑戰十分艱巨。盡管應對這些挑戰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?！　?/p>

4G天線(xiàn)設計挑戰　　

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

天線(xiàn)尺寸天線(xiàn)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)自美國的FCC頻率分配和全球范圍內的運營(yíng)商漫游協(xié)議；不同地區使用不同的頻段。“帶寬和天線(xiàn)尺寸是直接相關(guān)的”且“效率和天線(xiàn)尺寸是直接相關(guān)的”--這通常意味著(zhù)，更大尺寸的天線(xiàn)可以提供更大的帶寬和更高的效率?！　?/p>

除了帶寬外，天線(xiàn)尺寸還取決于工作頻率。在北美地區，運營(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)比北美使用的傳統蜂窩頻段(5，824－894MHz)要低。這個(gè)變化是巨大的，因為頻率越低，波長(cháng)越長(cháng)，因而需要更長(cháng)的天線(xiàn)才能保持輻射效率不變。為了保證輻射效率，天線(xiàn)尺寸必須做大。然而，設備系統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(xiàn)長(cháng)度和整個(gè)體積受到極大限制，從而降低了天線(xiàn)帶寬和效率?！　?/p>

天線(xiàn)間互耦更新的高速無(wú)線(xiàn)協(xié)議要求使用MIMO(多入多出)天線(xiàn)。MIMO要求多根天線(xiàn)(通常是兩根)同時(shí)工作在相同頻率。因此，話(huà)機設備上需要放置多根天線(xiàn)，這些天線(xiàn)要同時(shí)工作且相互不能有影響。當兩根或更多天線(xiàn)位置靠得很近時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生一種被稱(chēng)為互耦的現象?！　?/p>

舉例說(shuō)明，移動(dòng)平臺上緊鄰放置兩根天線(xiàn)。從天線(xiàn)1輻射出來(lái)的一部分能量將被天線(xiàn)2截獲，截獲到的能量將在天線(xiàn)2的終端中損耗掉，無(wú)法得到利用，這可以用系統功率附加效率(PAE)的損耗來(lái)表示。根據互換性原理，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(xiàn)的分隔距離。對于手機實(shí)現而言，MIMO和分集應用中工作在相同頻段的天線(xiàn)之間的距離可以是1/10波長(cháng)或以下。例如，750MHz時(shí)的自由空間波長(cháng)是400mm。當間隔很小時(shí)，比如遠小于一個(gè)波長(cháng)，則耦合程度會(huì )很高。天線(xiàn)之間耦合的能量是無(wú)用的，只會(huì )降低數據吞吐量和電池壽命?！　?/p>

設備使用模型與傳統手機相比，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(mǎn)足電磁波能量吸收比(SAR)和助聽(tīng)器兼容性(HAC)法規要求?！　?/p>

使用模型的另一個(gè)方面是消費內容的類(lèi)型。諸如大型多人在線(xiàn)角色扮演游戲(MMORPG)和實(shí)時(shí)視頻數據流等視頻密集型移動(dòng)應用不斷推動(dòng)數據使用率飆升。據ABI Research預測，從2009年到2015年，西歐和北美地區數據使用率有望分別以42%和55%的年復合增長(cháng)率(CAGR)增長(cháng)。這些相似的應用正在驅動(dòng)制造商生產(chǎn)出更大尺寸、更高分辨率的顯示屏。數據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(lái)說(shuō)，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(wú)需用手握住設備?！　?/p>

越來(lái)越大的顯示屏和使用者抓握方式的改變，使得為天線(xiàn)輻射單元找一個(gè)不被顯示屏或用戶(hù)手掌阻擋的好位置變得越來(lái)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(kāi)發(fā)出能夠在全球任何地方工作的平臺是此類(lèi)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢?！　?/p>

解決方案　　

為了實(shí)現全球通用，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(shí)在所有頻段和協(xié)議下工作，因此可以開(kāi)發(fā)一種能調整到目標工作頻段的天線(xiàn)系統。這種狀態(tài)調諧式天線(xiàn)可被稱(chēng)為“智能天線(xiàn)”或“自適應天線(xiàn)”。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(mǎn)足特定地區的協(xié)議要求。這樣，對寬帶工作的要求就降低了，允許天線(xiàn)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(xiàn)調諧：饋點(diǎn)匹配和孔徑調諧。不過(guò)，有許多因素會(huì )影響到這些方法的實(shí)現決策，目前還沒(méi)有一個(gè)單獨的解決方案能適合每種應用?！　?/p>

饋點(diǎn)匹配饋點(diǎn)匹配可用于許多天線(xiàn)實(shí)現中，無(wú)論是可調諧還是不可調諧。匹配電路的主要功能是，在寬范圍的工作條件下，實(shí)現天線(xiàn)終端阻抗與無(wú)線(xiàn)電系統其余部分阻抗(通常是50Ω)的匹配。典型的可調諧匹配實(shí)現，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。調整電容容量可以改變目標電路的諧振頻率?！　?/p>

根據所需的天線(xiàn)尺寸來(lái)壓縮和調諧范圍，一般需要較大范圍的容量變化以實(shí)現頻率遷移，因此通常要求多個(gè)調諧元件和/或寬范圍的調諧值。圖1給出使用可變元件的天線(xiàn)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(xiàn)

孔徑調諧孔徑調諧是通過(guò)改變輻射元件的諧振結構實(shí)現的。典型的實(shí)現方式是采用一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)來(lái)選擇天線(xiàn)結構上的不同負載元件。開(kāi)關(guān)負載元件會(huì )影響天線(xiàn)的電氣長(cháng)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)、孔徑調諧天線(xiàn)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(xiàn)

不論是采用饋點(diǎn)匹配還是孔徑調諧方法，如果天線(xiàn)同時(shí)用于發(fā)射和接收，那么調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)明了調諧方法在天線(xiàn)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(xiàn)配置：一種是寬帶設計；另一種是可以在相同頻率范圍內調諧，但使用了4個(gè)調諧狀態(tài)的窄帶設計?！　?/p>

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

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

從圖3示例可以清楚看到，通過(guò)將天線(xiàn)調諧到某一種狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)支持特定的一組頻段，就可以實(shí)現天線(xiàn)物理體積的減半。在天線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電系統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。

互耦效應同時(shí)工作在相同頻率的相鄰天線(xiàn)間會(huì )產(chǎn)生互耦效應，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(xiàn)彼此分開(kāi)。隨著(zhù)間隔距離的增加，互耦效應將隨之減弱。不過(guò)，對于手持設備來(lái)說(shuō)，很難提供足夠的間距來(lái)減弱互耦效應。在這種情況下，系統設計人員需要采用其它不同的天線(xiàn)解決方案來(lái)達到規范要求的性能指標?！　?/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(xiàn)技術(shù)(iMAT)，從相同的天線(xiàn)結構產(chǎn)生兩種不同的模式。iMAT天線(xiàn)結構放置在手機的一端；兩個(gè)饋點(diǎn)分別運行不同的輻射模式。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。圖4描述了iMAT天線(xiàn)的實(shí)現原理，從圖中可以看到，在相同天線(xiàn)結構上的兩個(gè)饋點(diǎn)之間的隔離。

圖4、iMAT天線(xiàn)實(shí)現原理

使用模型　　

為了緩解各種使用模型的影響，有必要將狀態(tài)調諧和模式隔離兩種方法結合運用。模式隔離允許具有多個(gè)饋點(diǎn)的單天線(xiàn)結構執行多個(gè)MIMO天線(xiàn)的功能；而狀態(tài)調諧則允許這種結構非常小，但仍然能夠非常高效地在寬頻率范圍內工作。圖5顯示了以6個(gè)調諧狀態(tài)覆蓋多個(gè)頻段的可變狀態(tài)iMAT天線(xiàn)結構的平均測量效率。iMAT結構能在平衡或不平衡的增益配置下工作，并且與傳統天線(xiàn)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(gè)MIMO天線(xiàn)端口的狀態(tài)調諧式iMAT結構

對于復雜的智能手機和平板電腦設備，要實(shí)現高效天線(xiàn)系統，就必須克服巨大挑戰。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3G頻段中，以滿(mǎn)足全球移動(dòng)漫游和兼容性要求?！　?/p>

先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通過(guò)在用戶(hù)設備中使用MIMO來(lái)提高數據吞吐量。此外，諸如在線(xiàn)游戲和視頻流等數據密集型應用正在催生更大的顯示器和種類(lèi)廣泛的使用模型。這也給系統設計人員帶來(lái)更多難題，例如要在設備上找到足夠空間來(lái)實(shí)現多頻段多天線(xiàn)系統。幸運的是，狀態(tài)調諧和iMAT等先進(jìn)的天線(xiàn)設計技術(shù)可以幫助設計人員從容應對上述挑戰，靈活實(shí)現外觀(guān)時(shí)尚、功能豐富的移動(dòng)設備，并提供真正的4G網(wǎng)絡(luò )性能。