4G手機天線設計注意

2016-11-01 by:CAE仿真在線來源:互聯網

一、目前各手機廠商普遍困擾

我們最近在與各品牌的手機資源和研發人員交流時,一個普遍困擾大家的問題就是:飛速發展的4G時代,天線成了目前手持終端的一個瓶頸。目前無論在國內手機天線市場上占有率比較大的碩貝德、信維還是老牌天線廠家向移動終端轉型的一些代表,如太盟(臺灣)等天線廠家,所面臨的都是4G天線所帶來的巨大挑戰。下面我們來探討一下是哪些原因造成了這一技術難題。

二、天線面臨的任務和挑戰

全球移動數據用戶希望他們的設備在全球任何地方都能高速聯網。這種期望給網絡和設備性能帶來了巨大的負擔。在移動數據設備中,天線是“接觸”網絡的唯一部件,優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十分艱巨。

在中國,我們常說五模十頻。就是指不同運營商使用不同的制式和使用不同的無線頻段。此外還有藍牙、WIFI、收音、GPS等。任何一個與外界的接觸都離不開天線。而現在手機平板等卻在向輕薄的方向發展,這給天線所預留的空間越來越少。

今天我們看看在4G時代,天線是如何完成這一任務和挑戰的。

我們知道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備使用模型。

天線尺寸取決于三個要素

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的運營商漫游協議;不同地區使用不同的頻段。“帶寬和天線尺寸是直接相關的”且“效率和天線尺寸是直接相關的”——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,運營商Verizon Wireless和AT&T Mobility選擇推廣的LTE是英文Long Term Evolution的縮寫。LTE也被通俗的稱為3.9G,具有100Mbps的數據下載能力,被視作從3G向4G演進的主流技術。"

產品工作在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。

天線間互耦需預防干擾

天線間互耦更新的高速無線協議要求使用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,就會產生一種被稱為互耦的現象。

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,這可以用系統功率附加效率(PAE)的損耗來表示。根據互換性原理,這種效應在發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,只會降低數據吞吐量和電池壽命。

設備使用模型影響天線

設備使用模型與傳統手機相比,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)法規要求。

使用模型的另一個方面是消費內容的類型。諸如大型多人在線角色扮演游戲(MMORPG)和實時視頻數據流等視頻密集型移動應用不斷推動數據使用率飆升。據ABI Research預測,從2009年到2015年,西歐和北美地區數據使用率有望分別以42%和55%的年復合增長率(CAGR)增長。這些相似的應用正在驅動制造商生產出更大尺寸、更高分辨率的顯示屏。數據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,設備制造商希望產品系列擁有更少的SKU(最小存貨單位),而且開發出能夠在全球任何地方工作的平臺是此類產品的發展趨勢。

此外,一些終端使用金屬的外殼,這也會給天線的信號接收發出帶極大的挑戰。

綜上這幾個方面的原因,這就給移動4G天線的設計和制造帶來了較大的挑戰。如何在有限的空間里,設計制造出更小更強的天線。這都需要業界的不懈投入。

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