4G手機(jī)天線設(shè)計(jì)注意

2016-11-01 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

一、目前各手機(jī)廠商普遍困擾

我們最近在與各品牌的手機(jī)資源和研發(fā)人員交流時(shí),一個(gè)普遍困擾大家的問(wèn)題就是:飛速發(fā)展的4G時(shí)代,天線成了目前手持終端的一個(gè)瓶頸。目前無(wú)論在國(guó)內(nèi)手機(jī)天線市場(chǎng)上占有率比較大的碩貝德、信維還是老牌天線廠家向移動(dòng)終端轉(zhuǎn)型的一些代表,如太盟(臺(tái)灣)等天線廠家,所面臨的都是4G天線所帶來(lái)的巨大挑戰(zhàn)。下面我們來(lái)探討一下是哪些原因造成了這一技術(shù)難題。

二、天線面臨的任務(wù)和挑戰(zhàn)

全球移動(dòng)數(shù)據(jù)用戶希望他們的設(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。

在中國(guó),我們常說(shuō)五模十頻。就是指不同運(yùn)營(yíng)商使用不同的制式和使用不同的無(wú)線頻段。此外還有藍(lán)牙、WIFI、收音、GPS等。任何一個(gè)與外界的接觸都離不開(kāi)天線。而現(xiàn)在手機(jī)平板等卻在向輕薄的方向發(fā)展,這給天線所預(yù)留的空間越來(lái)越少。

今天我們看看在4G時(shí)代,天線是如何完成這一任務(wù)和挑戰(zhàn)的。

我們知道有許多因素會(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,但通常可以分成三大類:天線尺寸、多副天線之間的互耦寶貝以及設(shè)備使用模型。

天線尺寸取決于三個(gè)要素

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。“帶寬和天線尺寸是直接相關(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AT&T Mobility選擇推廣的LTE是英文Long Term Evolution的縮寫(xiě)。LTE也被通俗的稱為3.9G,具有100Mbps的數(shù)據(jù)下載能力,被視作從3G向4G演進(jìn)的主流技術(shù)。"

產(chǎn)品工作在700M赫茲頻段,這在幾年前是FCCUHF-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。

天線間互耦需預(yù)防干擾

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)備使用模型影響天線

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)是此類產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)。

此外,一些終端使用金屬的外殼,這也會(huì)給天線的信號(hào)接收發(fā)出帶極大的挑戰(zhàn)。

綜上這幾個(gè)方面的原因,這就給移動(dòng)4G天線的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)了較大的挑戰(zhàn)。如何在有限的空間里,設(shè)計(jì)制造出更小更強(qiáng)的天線。這都需要業(yè)界的不懈投入。

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