如何系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)用于LTE無線設(shè)備的高級(jí)天線架構(gòu)

隨著其連接可靠性和傳輸速度的大幅提高，LTE正迅速在世界各地發(fā)展起來。根據(jù)全球移動(dòng)供應(yīng)商協(xié)會(huì)(GSA)的數(shù)據(jù)顯示，目前已有超過318個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)在111個(gè)國家和地區(qū)投入商用，并且在今年年底預(yù)計(jì)商用的LTE網(wǎng)絡(luò)總數(shù)將超過350個(gè)。

在已經(jīng)商用和正在計(jì)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(xiàn)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(shè)備中。在終端設(shè)備的案例中，有幾個(gè)原因使得MIMO成為挑戰(zhàn)，包括：需要多個(gè)天線，持續(xù)不斷變薄的趨勢，史無前例的頻帶分離，運(yùn)營商對(duì)低頻的偏愛，以及 在射頻設(shè)計(jì)中缺乏經(jīng)驗(yàn)。

3G僅需要一個(gè)天線，而MIMO技術(shù)卻需要至少兩個(gè)天線。天線的數(shù)量會(huì)隨著MIMO設(shè)計(jì)成4×4和8×8而增加。為多個(gè)LTE天線(包括3G/2G備用天線、GPS、Wi-Fi、藍(lán)牙和NFC)，找尋空間變得更加困難。而高階MIMO設(shè)計(jì)又與更輕薄的設(shè)備產(chǎn)生沖突。

隨 著設(shè)備變得更加輕薄，智能手機(jī)和平板電腦的內(nèi)部空間正以每年25%的速度銳減。顯示屏和電池獲得了最高優(yōu)先級(jí)，而諸如處理器、內(nèi)存、天線系統(tǒng)和其他部件只 能來爭奪剩余的空間。一方面是更薄的趨勢，另一方面是MIMO和低頻帶(例如700MHz)需要物理尺寸更大的天線配置，要同時(shí)滿足這兩個(gè)需求，這給原始 設(shè)備制造商們(OEM)以及他們的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)帶來不可忽視的壓力。

LTE的工作頻段超過40個(gè)，覆蓋了從450MHz到 2.7GHz，其中大約一半已經(jīng)用于現(xiàn)有的設(shè)備中。為智能手機(jī)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(qū) 域則降級(jí)為相應(yīng)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尋找天線空間都是具有挑戰(zhàn)性的，再加上諸如Wi-Fi和其他技術(shù)的天線 時(shí)就顯得更加不容易了。

運(yùn)營商們總是渴望更低的資本支出(CapEx)和運(yùn)營成本(OpEx)，因此低頻段成為他們的最佳選 擇。通常的經(jīng)驗(yàn)是更低的頻率和更低密度的基站會(huì)給運(yùn)營商帶來更好的收益。較低的頻帶同樣能提供較好的室內(nèi)覆蓋率，比如700MHz，在此頻段也可以適應(yīng)迅 速成長的“物聯(lián)網(wǎng)”(IoT) 市場的需求，提供良好的無線網(wǎng)絡(luò)，這也是保證用戶滿意度的關(guān)鍵。運(yùn)營商們目前正關(guān)注600MHz頻段在未來的使用機(jī)制。但是，較低的頻帶同樣需要物理尺寸 更大的天線，這就使得OEM廠商和他們的射頻供應(yīng)商在其更為輕薄的智能手機(jī)中放置天線時(shí)必須更有創(chuàng)造性。IoT設(shè)備同樣也存在天線空間限制的情況。

隨 著LTE技術(shù)的普及率上升，設(shè)備供應(yīng)商在其產(chǎn)品中加入LTE的時(shí)候壓力也隨之而來。僅僅是因?yàn)楦S新技術(shù)的學(xué)習(xí)曲線(learning curve)就足以給經(jīng)驗(yàn)豐富的智能手機(jī)供應(yīng)商帶來挑戰(zhàn)。而對(duì)于眾多在M2M和IoT只有較少經(jīng)驗(yàn)或者毫無經(jīng)驗(yàn)的供應(yīng)商來說，在產(chǎn)品中植入蜂窩技術(shù)便存在 更多的挑戰(zhàn)。

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

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

有 源天線系統(tǒng)能夠幫助OEM廠商和他們的射頻供應(yīng)商更有效地工作。相比于傳統(tǒng)的無源天線，有源系統(tǒng)提供了在設(shè)計(jì)和性能上更高的靈活性。事實(shí)上，有源天線是適 應(yīng)LTE的頻段分離和MIMO需求的最簡單的方式，它不僅能很好地滿足運(yùn)營商偏愛低頻的需求，同時(shí)還能夠幫助契合越來越薄的設(shè)備。

單 獨(dú)一根的有源天線能夠覆蓋兩個(gè)或者兩個(gè)以上的LTE頻段，甚至那些相隔很遠(yuǎn)的頻段也沒有問題，比如頻段17(704MHz到746MHz)和頻段 41(2496MHz到2690MHz)。單饋有源天線(Single-feed active antennas)已經(jīng)發(fā)展為覆蓋所有從698MHz到2700MHz范圍內(nèi)的LTE頻段。這一靈活性使得更多的運(yùn)營商能發(fā)展LTE的演進(jìn)版本(LTE- Advanced)，也就是能夠載波聚合。當(dāng)分離的頻段變得更遠(yuǎn)的時(shí)候，LTE-Advanced就更有挑戰(zhàn)性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者們越來越多地選擇有源天線系統(tǒng) 來應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。

有源天線系統(tǒng)給予了OEM廠商全新的選擇，以實(shí)現(xiàn)終端用戶所關(guān)注的諸如在語音、視頻和數(shù)據(jù)傳輸，以及在3G 和4G等情況下的可靠性和性能。不同于無源天線，有源天線系統(tǒng)能夠自動(dòng)地重復(fù)調(diào)諧并且補(bǔ)償由于用戶頭、手所產(chǎn)生的去諧效應(yīng)(detuning effects)。這就意味著，智能手機(jī)和平板設(shè)備在采用有源天線時(shí)，能更好地提供快速的上行鏈路和下行鏈路的連通性，同時(shí)也出現(xiàn)較少的掉話現(xiàn)象。良好的 可靠性和性能令OEM廠商的品牌受益。在智能手機(jī)的案例中，運(yùn)營商同樣希望在品牌信譽(yù)和營業(yè)成本兩者中都可以受益，這樣它們的客服接到的投訴電話將會(huì)更少。

有源天線系統(tǒng)同時(shí)也能提升OEM廠商競的爭優(yōu)勢。例如，在新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，包括主板布局改變，或者設(shè)備有特殊需求(如 外形和性能調(diào)整)，有源天線系統(tǒng)都能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)這些不斷變化的環(huán)境條件。這將有效地減少新產(chǎn)品的成本，并將其交貨周期提前。OEM廠商可以最少化 其產(chǎn)品型號(hào)，因?yàn)橛性聪到y(tǒng)的靈活性意味著它能夠適應(yīng)每一個(gè)國家或用戶的頻帶。

定義理想的有源解決方案

由于有源天線系統(tǒng)為LTE MIMO的應(yīng)用提供了許多優(yōu)勢，因此那么多射頻供應(yīng)商正積極開發(fā)有源調(diào)試解決方案就顯得并不令人吃驚。越來越多的選擇也都有著其自身的挑戰(zhàn)：首先將解決方案確定下來，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(xiàn)的關(guān)鍵在于一個(gè)系統(tǒng)的方案。這個(gè)方案需要通過天線、有源器件和算法同步設(shè)計(jì)和優(yōu)化作為完整的解決方案來實(shí)現(xiàn)最佳的性能。這個(gè)方法不只是提供給設(shè)備供 應(yīng)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(xiàn)。首先，設(shè)備供應(yīng)商需要分別獲取天線 和芯片，而這些部件不能最優(yōu)化的一起工作。其次，設(shè)備供應(yīng)商必須集成各種器件、優(yōu)化軟件，集成各項(xiàng)到設(shè)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)延長學(xué)習(xí)曲線。同時(shí)，對(duì)于那些缺乏天線專業(yè)知識(shí)的芯片供應(yīng)商和大多數(shù)沒有有源器件經(jīng)驗(yàn)的天線公司來說，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(jié)省成本，并被快速地添加到智能手機(jī)、平板電腦和其他無線設(shè)備中，而不是花費(fèi)數(shù)周或者數(shù)月的時(shí)間。這種即插即用的設(shè) 計(jì)減少了OEM廠商的研發(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(tuán)隊(duì)去處理那些相應(yīng)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 毫無射頻經(jīng)驗(yàn)的M2M和IoT設(shè)備的工程師們。

一種解決方案是有源阻抗匹配。這一項(xiàng)技術(shù)能夠在不影響性能的同時(shí)，將天線的物 理尺寸減少50%。這個(gè)尺寸的顯著減少是非常有意義的，尤其是在電池體積在持續(xù)增長的同時(shí)，還有額外的天線需要集成到設(shè)備中的時(shí)候。另外，這一技術(shù)能夠在 相同的天線體積的情況下用來覆蓋更寬的頻段。

理想的情況下，有源阻抗匹配應(yīng)該完成在饋電點(diǎn)(feedpoint)而不是遠(yuǎn)離 整個(gè)系統(tǒng)的地方，例如在收發(fā)芯片(transceiver chipset)中。在饋電點(diǎn)的設(shè)計(jì)將最大限度地提高性能，因?yàn)檎{(diào)試是要著眼于整個(gè)天線系統(tǒng)的。當(dāng)調(diào)試放置在射頻鏈路后端很遠(yuǎn)的地方，系統(tǒng)性能會(huì)對(duì)傳輸線 的電延時(shí)和損耗有不利的影響。

波段開關(guān)是另外一個(gè)重要的方式。也被稱作有源孔徑(active aperture)，這項(xiàng)技術(shù)能動(dòng)態(tài)地改變天線振子的電長度從而改變其頻率響應(yīng)。一種替代的方法已經(jīng)在前面的有源匹配中討論過，也就是在饋電點(diǎn)的調(diào)試電路 上改變天線的阻抗。這兩種方法的主要區(qū)別，有源孔徑/波段開關(guān)是一個(gè)用來粗調(diào)天線振子同時(shí)自動(dòng)匹配在饋電點(diǎn)提供更優(yōu)化的頻率響應(yīng)。

在過去，OEM廠商必須在兩種技術(shù)之間進(jìn)行選擇，因?yàn)槎鄠€(gè)元件(例如可調(diào)電容和開關(guān))造成的成本問題。然而新的有源器件消除了那些權(quán)衡的過程，而是融合一個(gè) 四端口的開關(guān)和一個(gè)可調(diào)電容器在一個(gè)單獨(dú)的射頻集成電路(RFIC)中。這個(gè)設(shè)計(jì)利用波段開關(guān)調(diào)節(jié)貫穿了幾百兆赫茲的頻域，并且利用可調(diào)匹配功能來微調(diào)阻 抗。LTE技術(shù)中最大的天線挑戰(zhàn)出現(xiàn)在1GHz以下，因?yàn)檫@個(gè)頻段對(duì)于天線尺寸最為敏感。有源天線系統(tǒng)技術(shù)將會(huì)著重去調(diào)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(nèi)置天線尺寸時(shí)就算不使用有源調(diào)節(jié)也比較容易實(shí)現(xiàn)。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(yīng)商通常會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)射頻集成電路(RFIC)去覆蓋盡可能多的頻段，適應(yīng)盡可能多的天線類型和匹配盡可能多的阻抗。因此，設(shè)計(jì)就需要在性能和成本之間進(jìn)行折衷。但是有著大量天線經(jīng)驗(yàn)的供應(yīng)商們知道，可調(diào)器件不能獨(dú)立地去補(bǔ)償一個(gè)很差的天線設(shè)計(jì)。同時(shí)一個(gè)富有經(jīng)驗(yàn)的有源天線系統(tǒng)供應(yīng)商也知道，為了實(shí)現(xiàn)最好的性能和最低廉的成本在設(shè)計(jì)一個(gè)天線和它的協(xié)調(diào)電路時(shí)同樣的重要。

隨著LTE逐漸普及，有源天線解決方案將會(huì)成為一個(gè)應(yīng)對(duì)LTE的MIMO技術(shù)挑戰(zhàn)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(shè)備。