LTE無(wú)線(xiàn)設備出現“攔路虎”？實(shí)現高級天線(xiàn)架構一步搞定

隨著(zhù)智能設備和平板電腦越來(lái)越輕薄，它們的內部存儲空間也在逐漸遞減，處理器、天線(xiàn)、內存、其他部件都在搶占這為數不多的空間。既要求天線(xiàn)配置，又要求天線(xiàn)傳輸速度和可靠性，折讓設計團隊面臨不小的壓力。本文就讓你見(jiàn)識見(jiàn)識如何系統地實(shí)現LTE無(wú)線(xiàn)設備的高級天線(xiàn)架構 ，把這些煩惱通通拋掉。

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

3G僅需要一個(gè)天線(xiàn)，而MIMO技術(shù)卻需要至少兩個(gè)天線(xiàn)。天線(xiàn)的數量會(huì )隨著(zhù)MIMO設計成4×4和8×8而增加。為多個(gè)LTE天線(xiàn)(包括3G/2G備用天線(xiàn)、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。

LTE的工作頻段超過(guò)40個(gè)，覆蓋了從450MHz到 2.7GHz，其中大約一半已經(jīng)用于現有的設備中。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(gè)頻段，在LTE還未覆蓋到的區 域則降級為相應的3G制式 。在這些頻段中，即使是在任一個(gè)很小的子集頻段中，為必要的2×2或更多的MIMO尋找天線(xiàn)空間都是具有挑戰性的，再加上諸如Wi-Fi和其他技術(shù)的天線(xiàn) 時(shí)就顯得更加不容易了。

運營(yíng)商們總是渴望更低的資本支出(CapEx)和運營(yíng)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(huì )給 運營(yíng)商帶來(lái)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(cháng)的“物聯(lián)網(wǎng)”(IoT) 市場(chǎng)的需求，提供良好的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，這也是保證用戶(hù)滿(mǎn)意度的關(guān)鍵。運營(yíng)商們目前正關(guān)注600MHz頻段在未來(lái)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(xiàn)，這就使得OEM廠(chǎng)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(xiàn)時(shí)必須更有創(chuàng )造性。IoT設備同樣也存在天線(xiàn)空間限制的情況。

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

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

有源天線(xiàn)和射頻解決方案：實(shí)現更好的靈活性、可靠性和性能

有源天線(xiàn)系統能夠幫助OEM廠(chǎng)商和他們的射頻供應商更有效地工作。相比于傳統的無(wú)源天線(xiàn)，有源系統提供了在設計和性能上更高的靈活性。事實(shí)上，有源天 線(xiàn)是適應LTE的頻段分離和MIMO需求的最簡(jiǎn)單的方式，它不僅能很好地滿(mǎn)足運營(yíng)商偏愛(ài)低頻的需求，同時(shí)還能夠幫助契合越來(lái)越薄的設備。

單獨一根的有源天線(xiàn)能夠覆蓋兩個(gè)或者兩個(gè)以上的LTE頻段，甚至那些相隔很遠的頻段也沒(méi)有問(wèn)題，比如頻段17(704MHz到746MHz)和頻段 41(2496MHz到2690MHz)。單饋有源天線(xiàn)(Single-feed 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(yíng)商能發(fā)展LTE的演進(jìn)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(shí)候，LTE-Advanced就更有挑戰性。系統設計者們越來(lái)越多地選擇有源天線(xiàn)系統 來(lái)應對這一挑戰。 定義理想的有源解決方案

由于有源天線(xiàn)系統為L(cháng)TE 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(kāi)發(fā)有源調試解決方案就顯得并不令人吃驚。越來(lái)越多的選擇也都有著(zhù)其自身的挑戰：首先將解決方案確定下來(lái)，這會(huì )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(shí)現的關(guān)鍵在于一個(gè)系統的方案。這個(gè)方案需要通過(guò)天線(xiàn)、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(lái)實(shí)現最佳的性能。這個(gè)方法不只是提供給 設備供應商一個(gè)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(gè)步驟去實(shí)現。首先，設備供應商需要分別獲 取天線(xiàn)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(huì )是非 常耗時(shí) 和昂貴的，并且還會(huì )延長(cháng)學(xué)習曲線(xiàn)。同時(shí)，對于那些缺乏天線(xiàn)專(zhuān)業(yè)知識的芯片供應商和大多數沒(méi)有有源器件經(jīng)驗的天線(xiàn)公司來(lái)說(shuō)，這種方案也可能難以獲得支持。

理想的方案是一個(gè)有一體化的模塊能夠有效節省成本，并被快速地添加到智能手機、平板電腦和其他無(wú)線(xiàn)設備中，而不是花費數周或者數月的時(shí)間。這種即插即 用的設 計減少了OEM廠(chǎng)商的研發(fā)成本和產(chǎn)品上市時(shí)間，同時(shí)他們不必雇傭一個(gè)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(wú)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(shù)能夠在不影響性能的同時(shí)，將天線(xiàn)的物理尺寸減少50%。這個(gè)尺寸的顯著(zhù)減少是非常有意義的，尤其是在電池體積 在持續增長(cháng)的同時(shí)，還有額外的天線(xiàn)需要集成到設備中的時(shí)候。另外，這一技術(shù)能夠在 相同的天線(xiàn)體積的情況下用來(lái)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(diǎn)(feedpoint)而不是遠離整個(gè)系統的地方，例如在收發(fā)芯片(transceiver chipset)中。在饋電點(diǎn)的設計將最大限度地提高性能，因為調試是要著(zhù)眼于整個(gè)天線(xiàn)系統的。當調試放置在射頻鏈路后端很遠的地方，系統性能會(huì )對傳輸線(xiàn) 的電延時(shí)和損耗有不利的影響。

波段開(kāi)關(guān)是另外一個(gè)重要的方式。也被稱(chēng)作有源孔徑(activeaperture)，這項技術(shù)能動(dòng)態(tài)地改變天線(xiàn)振子的電長(cháng)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(guò)，也就是在饋電點(diǎn)的調試電路 上改變天線(xiàn)的阻抗。這兩種方法的主要區別，有源孔徑/波段開(kāi)關(guān)是一個(gè)用來(lái)粗調天線(xiàn)振子同時(shí)自動(dòng)匹配在饋電點(diǎn)提供更優(yōu)化的頻率響應。

在過(guò)去，OEM廠(chǎng)商必須在兩種技術(shù)之間進(jìn)行選擇，因為多個(gè)元件(例如可調電容和開(kāi)關(guān))造成的成本問(wèn)題。然而新的有源器件消除了那些權衡的過(guò)程，而是融 合一個(gè)四端口的開(kāi)關(guān)和一個(gè)可調電容器在一個(gè)單獨的射頻集成電路(RFIC)中。這個(gè)設計利用波段開(kāi)關(guān)調節貫穿了幾百兆赫茲的頻域，并且利用可調匹配功能來(lái) 微調阻抗。LTE技術(shù)中最大的天線(xiàn)挑戰出現在1GHz以下，因為這個(gè)頻段對于天線(xiàn)尺寸最為敏感。有源天線(xiàn)系統技術(shù)將會(huì )著(zhù)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(xiàn)尺寸時(shí)就算不使用有源調節也比較容易實(shí)現。因此，它會(huì )更多的關(guān)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(huì )設計一個(gè)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(xiàn)類(lèi)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(jìn)行折衷。但是有著(zhù)大量天線(xiàn)經(jīng)驗的供應商們知道，可調器件不能獨立地去補償一個(gè)很差的天線(xiàn)設計。同時(shí)一個(gè)富有經(jīng)驗的有源天線(xiàn)系統供應商也知道，為了 實(shí)現最好的性能和最低廉的成本在設計一個(gè)天線(xiàn)和它的協(xié)調電路時(shí)同樣的重要。

隨著(zhù)LTE逐漸普及，有源天線(xiàn)解決方案將會(huì )成為一個(gè)應對LTE的MIMO技術(shù)挑戰的必要的方案，同時(shí)幫助OEM們在競爭中具有脫穎而出，制造出更高性能的設備。