智能手機設計小Tips（3）：巧妙解決4G天線設計難題

　　2010年全球移動數(shù)據(jù)消費量增長了2.6倍。這是移動數(shù)據(jù)使用量連續(xù)三年接近3倍的增幅。到2015 年，全球移動數(shù)據(jù)業(yè)務量有望增長到2010年的26倍。導致這種戲劇性增長的關(guān)鍵因素之一是智能手機和平板電腦的快速普及。全球移動數(shù)據(jù)用戶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)絡和設備性能帶來了巨大的負擔。在移動數(shù)據(jù)設備中，天線是“接觸”網(wǎng)絡的唯一部件，優(yōu)化天線性能變得越來越重要。然而，智能手機和平板電腦中的4G天線設計所面臨的挑戰(zhàn)十分艱巨。盡管應對這些挑戰(zhàn)有多種可行的解決方案，但每一種都會有潛在的性能折衷。
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　　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天線設計挑戰(zhàn)

　　有許多因素會影響手持移動通信設備的天線性能。雖然這些因素是相關(guān)的，但通?？梢苑殖扇箢悾禾炀€尺寸、多副天線之間的互耦以及設備使用模型。

　　天線尺寸天線尺寸取決于三個要素：工作帶寬、工作頻率和輻射效率。今天的帶寬要求越來越高，其推動力來自美國的FCC頻率分配和全球范圍內(nèi)的運營商漫游協(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)，運營商Verizon Wireless和AT&T 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。這個變化是巨大的，因為頻率越低，波長越長，因而需要更長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，設備系統(tǒng)設計人員還需要增加更大的顯示器和更多的功能，因此可用的天線長度和整個體積受到極大限制，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）同時工作在相同頻率。因此，話機設備上需要放置多根天線，這些天線要同時工作且相互不能有影響。當兩根或更多天線位置靠得很近時，就會產(chǎn)生一種被稱為互耦的現(xiàn)象。

　　舉例說明，移動平臺上緊鄰放置兩根天線。從天線1輻射出來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，無法得到利用，這可以用系統(tǒng)功率附加效率（PAE）的損耗來表示。根據(jù)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的分隔距離。對于手機實現(xiàn)而言，MIMO和分集應用中工作在相同頻段的天線之間的距離可以是1/10波長或以下。例如，750MHz時的自由空間波長是400mm.當間隔很小時，比如遠小于一個波長，則耦合程度會很高。天線之間耦合的能量是無用的，只會降低數(shù)據(jù)吞吐量和電池壽命。

　　設備使用模型與傳統(tǒng)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，這些設備還要滿足電磁波能量吸收比（SAR）和助聽器兼容性（HAC）法規(guī)要求。

　　使用模型的另一個方面是消費內(nèi)容的類型。諸如大型多人在線角色扮演游戲（MMORPG）和實時視頻數(shù)據(jù)流等視頻密集型移動應用不斷推動數(shù)據(jù)使用率飆升。據(jù)ABI Research預測，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%的年復合增長率（CAGR）增長。這些相似的應用正在驅(qū)動制造商生產(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者對這些設備的手持方式。例如，對于游戲應用來說，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需用手握住設備。

　　越來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不被顯示屏或用戶手掌阻擋的好位置變得越來越困難。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），而且開發(fā)出能夠在全球任何地方工作的平臺是此類產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。

　　解決方案

　　為了實現(xiàn)全球通用，智能手機或平板電腦必須能在各種頻段和協(xié)議下工作。當然，并不要求同時在所有頻段和協(xié)議下工作，因此可以開發(fā)一種能調(diào)整到目標工作頻段的天線系統(tǒng)。這種狀態(tài)調(diào)諧式天線可被稱為“智能天線”或“自適應天線”。其基本原理是，將瞬時工作頻率限制為一個或兩個感興趣的窄帶頻段，以滿足特定地區(qū)的協(xié)議要求。這樣，對寬帶工作的要求就降低了，允許天線被裝進更為緊湊的空間，同時又不犧牲輻射效率。

　　有兩種基本方法進行天線調(diào)諧：饋點匹配和孔徑調(diào)諧。不過，有許多因素會影響到這些方法的實現(xiàn)決策，目前還沒有一個單獨的解決方案能適合每種應用。

　　饋點匹配饋點匹配可用于許多天線實現(xiàn)中，無論是可調(diào)諧還是不可調(diào)諧。匹配電路的主要功能是，在寬范圍的工作條件下，實現(xiàn)天線終端阻抗與無線電系統(tǒng)其余部分阻抗（通常是50Ω）的匹配。典型的可調(diào)諧匹配實現(xiàn)，使用并聯(lián)或串聯(lián)可變電容作為阻抗匹配電路的一部分。調(diào)整電容容量可以改變目標電路的諧振頻率。

　　根據(jù)所需的天線尺寸來壓縮和調(diào)諧范圍，一般需要較大范圍的容量變化以實現(xiàn)頻率遷移，因此通常要求多個調(diào)諧元件和/或?qū)挿秶恼{(diào)諧值。圖1給出使用可變元件的天線饋點匹配電路。

　　圖1：采用可變阻抗匹配電路的固定式寬帶天線

　　孔徑調(diào)諧孔徑調(diào)諧是通過改變輻射元件的諧振結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的。典型的實現(xiàn)方式是采用一個簡單的開關(guān)來選擇天線結(jié)構(gòu)上的不同負載元件。開關(guān)負載元件會影響天線的電氣長度，從而改變諧振頻率。圖2是采用固定阻抗匹配電路的可變狀態(tài)、孔徑調(diào)諧天線的交流電路模型。