巧妙解決4G天線設(shè)計(jì)難題

2010年全球移動(dòng)數(shù)據(jù)消費(fèi)量增長(zhǎng)了2.6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(hù)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。

　　智能手機(jī)設(shè)計(jì)小Tips（1）：徹底解決觸摸屏誤觸難題

　　智能手機(jī)設(shè)計(jì)小Tips（2）：分離與集成的設(shè)計(jì)考量

　　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。雖然這些因素是相關(guān)的，但通?？梢苑殖扇箢?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(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變化。除了正常工作外，這些設(shè)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(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)ABI Research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(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(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