智能手機設計小Tips（3）：巧妙解決4G天線(xiàn)設計難題

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)。

　　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。

　　智能手機設計小Tips（1）：徹底解決觸摸屏誤觸難題

　　智能手機設計小Tips（2）：分離與集成的設計考量

　　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。

　　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?！皫捄吞炀€(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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　解決方案