為中端和高端智能手機(jī)提供天線靈活性和高性能

日前，Qorvo 華北區(qū)應(yīng)用工程經(jīng)理張杰在北京舉辦的 EDI CON China 上發(fā)表了一場題為《為中端和高端智能手機(jī)提供天線靈活性和高性能》的演講。

張杰首先指出，隨著技術(shù)的提升，這幾年智能手機(jī)承載了越來越多的應(yīng)用和功能，而在這個(gè)發(fā)展過程中，也給手機(jī)天線帶來了巨大的挑戰(zhàn)：一方面，因?yàn)楹芏嘈录夹g(shù)和新頻段的應(yīng)用，需要手機(jī)天線去覆蓋更多和更寬的頻段；另一方面，一些新功能和新技術(shù)的應(yīng)用，也需要手機(jī)集成更多的天線。

“在之前，手機(jī)一般是四到六個(gè)天線。但進(jìn)入到 5G 時(shí)代，手機(jī)天線的數(shù)量有可能會(huì)達(dá)到十個(gè)。但與此同時(shí)，智能手機(jī)留給天線的空間卻越來越小。為了達(dá)到更好更高的性能要求，這就給相關(guān)供應(yīng)商提出了更高的需求?！睆埥苷f。

如下圖所示，是手機(jī)通信制式過去幾年的演變。隨著通信制式的演進(jìn)，“柱狀圖”越來越高，那就意味著手機(jī)上的天線需要覆蓋的頻段范圍越來越寬。這就驅(qū)使手機(jī)天線設(shè)計(jì)也要隨著通信制式的演進(jìn)而逐步提升。

與此同時(shí)，現(xiàn)在的主流手機(jī)設(shè)計(jì)還有另一個(gè)明顯趨勢，那就是手機(jī) PCB 主板設(shè)計(jì)的時(shí)候，其鏤空的區(qū)域越來越多，這主要是因?yàn)樽罱鼛啄晔謾C(jī)開始要引入越來越多的攝像頭和步進(jìn)馬達(dá)之類的器件，這種設(shè)計(jì)趨勢給手機(jī) PCB 板帶來的影響就是在一個(gè)手機(jī)內(nèi)部，留給 PCB 布線的空間越來越小，天線所占的面積也隨之變小。

現(xiàn)在的手機(jī)還有另一個(gè)明顯趨勢就是手機(jī)廠商在過去幾年一直在追求更高的屏占比，這無疑又給手機(jī)天線帶來新挑戰(zhàn)。因?yàn)檫@樣的設(shè)計(jì)會(huì)讓手機(jī)天線的“凈空”會(huì)變得越來越少。而隨著手機(jī)廠商或者智能手表廠商開始采用折疊屏，這種挑戰(zhàn)與日俱增。這主要是因?yàn)檎郫B屏在打開和關(guān)上的兩種場景，會(huì)引起手機(jī)天線狀態(tài)的重要變化。

“總結(jié)而言，現(xiàn)在市場上對(duì)手機(jī)天線的要求越來越高、對(duì)手機(jī)天線的數(shù)量要求也越來越高，但與此同時(shí)，留給手機(jī)天線的設(shè)計(jì)空間卻越來越少，這就給相應(yīng)的設(shè)計(jì)界帶來前所未有的挑戰(zhàn)”，張杰說。他進(jìn)一步指出，要解決以上問題，將不同功能的天線合并到一個(gè)天線上去設(shè)計(jì)，會(huì)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

張杰首先以一個(gè)支持 LTE 4X4 MIMO 的手機(jī)為例，說明天線合并的優(yōu)勢。

如圖所示，如果把手機(jī)用到的網(wǎng)絡(luò)都用獨(dú)立的天線接收，那么總共就需要 12 個(gè)天線，如此多的天線在手機(jī)里就很難擺得下。為此我們需要想辦法把手機(jī)上的一些天線合并。而下面就提供了三種不同的天線合并方案。

使用下圖的合并方案，天線就可以減少到八根。

除了上述合并方案，下圖也是一種天線合并的選擇。在這種方式下，手機(jī)內(nèi)的天線同樣也從 12 根降低到八根，但合并的是不同頻段。

下圖則是第三種天線合并方式，采用這種方式，天線的數(shù)量更是進(jìn)一步減少到了六根。

“從以上三幅圖的天線合并中，我們看到有些實(shí)現(xiàn)框和虛線框，其中的虛線框代表其中的 Antenna multiplexer 可以用 LTCC 濾波器來實(shí)現(xiàn)，而實(shí)線則代表可以用類似 SAW 和 BAW 之類的腔體濾波器來實(shí)現(xiàn)。而 Qorvo 這邊則能提供腔體濾波器技術(shù)”，張杰表示。

在談到于兩者之間如何選擇的時(shí)候，張杰指出，如果我們需要合并的天線的頻段比較接近，但天線工作的隔離度要求很高，這個(gè)時(shí)候我們就需要用腔體濾波器的的 Antenna multiplexer 來實(shí)現(xiàn)，其他情況則可以用 LTCC 的濾波器實(shí)現(xiàn)。

下面，我們將從頻段入手，談一下天線合并的規(guī)則。

如上圖中所示，這是一個(gè) MHB 的 MIMO 天線，能支持的頻段介乎 1.71Ghz 和 2.69Ghz 頻段之間。

如下圖左所示，我想把 GPS L1 的通路合并過來，這對(duì)天線的改變就是需要增加對(duì) 1.6Ghz 的頻段，這就要求天線設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)天線的時(shí)候要擴(kuò)展 100Mhz，支持 1.6Ghz 和 2.69Gh 的頻段，這比之前的天線設(shè)計(jì)是提高了一點(diǎn)難度，但也不至于太大。

“又因?yàn)檫@個(gè)天線本身就已經(jīng)覆蓋了 WiFi 的 2.4Ghz 的頻段，所以如上圖右所示，我們希望這個(gè)天線能夠同時(shí)支持 WiFi 的 2.4Ghz，這樣對(duì)我們天線設(shè)計(jì)的難度毫無增加。唯一的區(qū)別是我們需要用一個(gè) Antenna multiplexer 把 WiFi 合進(jìn)來”，張杰接著說。

接下來，我們舉一個(gè)更實(shí)際的例子。下圖是一個(gè) LTE 手機(jī)方案，在其中，我們用到了六根天線。但現(xiàn)在，我們進(jìn)入了 5G 時(shí)代，需要支持更多的頻段。因?yàn)?5G 需要支持 4*4 MIMO，那就意味著每個(gè) band 都需要四個(gè)天線。以國內(nèi)為例，5G 頻段用得最多的是 n78、n79 和 n41，如果需要對(duì)他們?nèi)恐С郑鸵笪覀冊(cè)谠O(shè)計(jì)中為這三個(gè)頻段單獨(dú)增加天線，那就需要各增加四個(gè)共 12 個(gè)天線。

“從前面的介紹中我們可以看到，如果想在有限的手機(jī)空間中增加那么多的天線是不可能，為此我們需要重新規(guī)劃和整合這些天線”，張杰說。其大致方案如下圖所示。需要提一下的是，Qorvo 在這個(gè)方案中只是用了九根天線。

從以上的設(shè)計(jì)中，我們還發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題。如上圖所示，上面的三個(gè)天線都支持 2.4Ghz 的頻段，因?yàn)檫@三個(gè)天線是緊挨在一起的，這就導(dǎo)致我們很難做天線的隔離度。為此我們就決定用 Qorvo 的 Antenna multiplexer 把左邊天線的 2.4Ghz 頻段抽取出來，合到右邊的天線上去，簡化了天線的設(shè)計(jì)，還能幫助把中間主級(jí)的天線性能調(diào)出來。

從下面的仿真圖我們可以看到，通過這樣的設(shè)計(jì)，不但能改善天線的隔離度，還能把中間那根天線的效率提高。

另外，因?yàn)槭謾C(jī)的天線越來越多，被分布在手機(jī)的各個(gè)位置，然而收發(fā)器只能固定在一個(gè)地方，那就意味著有些天線必須要面臨射頻走線的問題。如下圖所示，在我們的初始設(shè)計(jì)中，用到了兩根線。

為此張杰表示，如果用 Antenna multiplexer 把下圖的 2.4Ghz、5Ghz、n77、n78 和 n79 的天線合起來，這就可以省掉一根線。“這不但省了線的成本，還節(jié)省了手機(jī)的設(shè)計(jì)空間。通過這樣的設(shè)計(jì)，還進(jìn)一步減少了天線的數(shù)量 ”，張杰進(jìn)一步指出。

“在 5G 天線的設(shè)計(jì)中，我們會(huì)碰到越來越多的問題，例如天線之間靠得越來越近導(dǎo)致隔離度很難做好、天線越來越多使得留給天線設(shè)計(jì)的空間不夠，就算天線都設(shè)計(jì)進(jìn)去了，但很難調(diào)出好的性能。而 Qorvo 就提供相應(yīng)的產(chǎn)品解決以上問題”，張杰補(bǔ)充說。

他指出，借助 Qorvo 的設(shè)計(jì)，不但能提高天線的隔離度，改善效率，還能解決天線設(shè)計(jì)的困擾，加速手機(jī)上市的時(shí)間。又因?yàn)?Qorvo 有比較好的工藝和經(jīng)驗(yàn)，能推出市場表現(xiàn)較好的產(chǎn)品，產(chǎn)品在尺寸上的表現(xiàn)也很優(yōu)越，這使得其并不會(huì)在方案上占有很多的額外空間。更重要的一點(diǎn)，通過減少天線的設(shè)計(jì)，Qorvo 還能幫助減少功耗，延長手機(jī)的續(xù)航時(shí)間，這在現(xiàn)在的“續(xù)航焦慮”的情況下，是很有價(jià)值的。

據(jù)張杰介紹，在天線這個(gè)領(lǐng)域，Qorvo 能提供兩大類的產(chǎn)品，除了上文一直在談的 Antenna multiplexer，還有如下圖左所示的天線調(diào)諧器，通過這兩種方案，Qorvo 能給手機(jī)設(shè)計(jì)廠商提供全方位的支持。

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