在天線空間越來越小的情況下如何適應射頻復雜性？

天線復用器可解決5G手機及其他設備制造商面臨的一個關鍵問題：在分配給天線空間越來越小的情況下，如何適應急劇增加的射頻復雜性。

通過利用天線復用器，制造商能夠使用更少的天線滿足新5G頻段、4x4 MIMO和其他新要求，同時不會對現(xiàn)有外形尺寸或功能產(chǎn)生影響。

他們將多個聲波濾波器組合在一起，從而允許不同的無線電[蜂窩網(wǎng)、Wi-Fi、GPS、超寬帶(UWB)]和更多頻段共享單個天線。通過使用天線轉(zhuǎn)換開關，制造商不但可以充分發(fā)揮5G的優(yōu)點，還可以增加吸引消費者的創(chuàng)新功能。

手機制造商面臨著反復挑戰(zhàn)：手機設計趨勢使得通過增加天線來滿足這些需求變得越來越困難，但仍需設法支持新射頻標準并滿足多頻共存擴容要求。

典型的4G手機已經(jīng)包含4到8個天線，而5G手機將需要更多天線。這是因為手機制造商需要加大對5G和其他新興標準（如UWB）的支持，同時繼續(xù)支持4G手機中實現(xiàn)的所有頻率和標準。與此同時，5G手機中的天線可用空間實際上正在縮小，因為制造商給手機增加了其他新功能，如附加攝像頭、人臉識別和運動感測功能。

這會導致天線效率問題，因為天線效率（最大程度減少損耗的能力）與天線尺寸以及傳輸頻率成反比。隨著天線數(shù)量的增加以及天線可用空間的縮小，維持滿足手機性能要求所需的天線效率和隔離變得更加困難。

圖1 損耗、使用頻率和天線面積之間的比例關系

射頻復雜性的不斷增長會引起天線設計問題

隨著新5G頻段和要求（如4x4多路輸入/多路輸出(MIMO)、EUTRA雙連接性(EN Dc)/雙UL、mmWave）的加入和新興標準（如UWB）的出現(xiàn)，5G手機的射頻復雜性急劇增加。同時，5G手機還必須繼續(xù)支持4G手機所有現(xiàn)有的和重新分配的低、中、高頻段頻率以及其他要求，如GPS Level 5(L5)、GPS/GNSS、2.4 GHz和5至7 GHz Wi-Fi(Wi-Fi 6E)。

新5G頻段

為實現(xiàn)明顯更高的數(shù)據(jù)速率，5G采用新的高頻、寬帶蜂窩頻譜。這個頻譜分配在頻譜的兩個主要區(qū)域，均在傳統(tǒng)蜂窩通信使用的頻率范圍之上。

頻率范圍1(FR1)

這些新的超高頻段(UHB)（n77、n78、n79）采用3.3 GHz至5 GHz之間的頻譜。

頻率范圍2(FR2)

這是第一次在商業(yè)蜂窩通信中使用mmWave頻譜。RF2包含24 GHz（n257、n258、n260、n261）以上的多個頻段。由于FR2頻率下的信號傳播具有挑戰(zhàn)性，所以5G手機采用3到4個小型天線組成的較大陣列來提高信號強度和波束形成。

4x4 MIMO

為提高數(shù)據(jù)速率，大多數(shù)5G頻段需要使用4x4 MIMO。此外，在可能的情況下，4x4 MIMO也可用于現(xiàn)有LTE頻段。

這需要四個支持蜂窩通信的天線，比傳統(tǒng)4G手機架構中使用的多兩個，這些天線使用兩個獨立的蜂窩射頻路徑，一個為主路徑，另一個為分路徑。

Wi-Fi 6E和NR-U

借助Wi-Fi 6E，供Wi-Fi使用的未許可頻譜不僅可以擴展至更復雜的調(diào)制應用，而且還可以達到7 GHz的上限，遠遠高于之前的5850 MHz上限。該頻譜也可供未許可頻譜(NR-U)內(nèi)的5G使用。額外的1.2 GHz頻譜增加了可用帶寬和需要較高數(shù)據(jù)速率的用例數(shù)量。然而，為確保在其他頻段運行的手機可同時使用該頻譜，仍需要采用具有濾波功能且更高效的高頻天線設計。

UWB

UWB是一種相對較新的技術，定位和距離感測性能出色，精確度在幾厘米內(nèi)。如今，這項技術被用于許多行業(yè)的不同應用，包括接近感測應用和汽車應用（如無鑰匙進入和啟動）。

顧名思義，UWB通過寬帶寬（500 MHz或更大）傳輸數(shù)據(jù)。最初的手機設計采用大約6.2 GHz至8.3 GHz之間的頻率。UWB本身需要3到4個天線陣列，這將占據(jù)手機內(nèi)部大量可用的關鍵空間。

增加手機內(nèi)天線數(shù)量面臨的挑戰(zhàn)即使出現(xiàn)新的射頻要求和標準，由于智能手機和設備設計的發(fā)展趨勢，在保持足夠的天線性能同時增加天線數(shù)量變得越來越困難。實現(xiàn)較高的天線性能需要足夠的天線容量和間距，但不斷發(fā)展的智能手機設計實際上減少了天線的可用空間，如圖2所示。

圖2：RF PCB和天線逐年減少

這些趨勢包括：

1、金屬框架和更小的邊框、玻璃背面以及無邊框或環(huán)繞屏幕限制了天線的可用面積。

2、增加吸引消費者的功能減少了可分配給RFFE和天線的空間。這些功能包括續(xù)航時間更長的大型電池、更多攝像頭、運動感測、指紋和人臉識別。

3、新興的折疊智能手機設計減少了天線的可用面積，因為無法將天線置于鉸鏈區(qū)域。

4、可穿戴設備是一個迅速擴展的市場。這些超小形尺寸賦予天線的空間極其有限。

圖3：5G手機的天線挑戰(zhàn)：5G明顯增加了射頻復雜性，同時減少了可用的天線容量

使用天線復用器解決天線設計問題制造商面臨著一個艱難的架構抉擇。他們可以嘗試在不斷縮小的區(qū)域內(nèi)增加更多的天線，這有可能降低天線性能，從而影響手機的整體性能。也可以選擇使用新的替代方案：天線復用器，可減少添加天線的需求，并可滿足共存濾波和插入損耗要求。

天線復用器將多個RF濾波器組合在一起，以支持不同的無線電技術（蜂窩網(wǎng)、Wi-Fi、GPS、UWB），從而增加能夠共享單個天線的頻段數(shù)量。通過使用天線復用器，手機可更有效地利用現(xiàn)有的天線面積，同時增加對新頻段的支持，且不會對現(xiàn)有外形尺寸或功能產(chǎn)生任何影響。

天線復用器可與其他RFFE技術組合，以進一步優(yōu)化天線性能，補償減少的天線尺寸。

天線調(diào)諧使用孔徑和阻抗調(diào)諧功能可顯著提高天線性能，該調(diào)諧功能可補償天線尺寸的縮小，并允許單個天線覆蓋多個頻段。

多路復用器通過將多個頻段聚合到單個天線路徑中，這些多濾波模塊可實現(xiàn)載波聚合(CA）。

圖4：利用天線復用器，Wi-Fi以及蜂窩中頻段和超高頻段頻率可共享一個天線

Qorvo天線復用器的優(yōu)勢天線復用器具有一系列優(yōu)勢，包括提高手機制造商的設計靈活性、提高空間的使用效率、降低成本。 設計靈活性

通過使用天線復用器，智能手機制造商可以更加靈活地進行智能手機創(chuàng)新設計。減少天線數(shù)量意味著減少制造商的設計限制，這樣就更容易添加其他功能以及探索創(chuàng)新型外形尺寸，如折疊手機。更少的天線還意味著手機殼內(nèi)天線凹槽越少，這樣就可以實現(xiàn)更具吸引力的手機外觀，同時減少手機殼上的弱點。

優(yōu)化可用天線尺寸

通過使用天線復用器，制造商可充分利用手機可用空間：減少天線數(shù)量可增加手機功能?？蓛?yōu)化天線性能和間距。

減少板載射頻路由可降低成本更少的天線意味著減少內(nèi)部線纜、連接器和彈簧需求。您可以將一條組合線路路由到單個天線，而不是將單獨的線路路由到多個天線。這樣就可以節(jié)省大量空間，降低成本。

圖5：未使用聲波天線復用器的架構展示

更少的SKU 天線復用器可提高天線架構在不同區(qū)域的重復使用率，這意味著制造商只需少量的手機型號(SKU)即可實現(xiàn)廣泛的地理覆蓋。單個天線架構可用于多個區(qū)域，而無需根據(jù)每個區(qū)域使用的頻段使用不同的天線布置。減少SKU數(shù)量可顯著降低生產(chǎn)和庫存成本。 在5G智能手機中使用聲波天線復用器根據(jù)每種設備的具體要求和挑戰(zhàn)，可將聲波天線復用器應用于許多不同的場景。每個天線都能夠在多個諧振頻率下高效運行，彼此之間為諧波關系：高頻率是最低頻率的倍數(shù)。使用天線復用器的最有效方法就是，將射頻標準和使用這些諧振頻率的頻段組合在一起，從而有效地共用一個天線。

通常，基于聲波濾波器的天線復用器具有最佳性能，因為它們集成了低插入損耗、多頻段共存的地址OOB抑制功能，且共用天線的RF頻率之間具有高隔離度。它們還支持適用于5G、Wi-Fi和UWB的超高頻率。

圖5（續(xù)上）使用天線復用器的架構展示

圖5（續(xù)上）顯示的天線復用器示例集成了4個聲波濾波器，因此2.4 GHz和5 GHz Wi-Fi、L5 GPS和GNSS可共用單個天線。如性能圖所示，天線轉(zhuǎn)換開關可在每個信號的通帶中實現(xiàn)低插入損耗，并可實現(xiàn)高信號隔離度。

圖6：支持2.4 GHz和5 GHz Wi-Fi、L5 GPS和GNSS共享單個天線的天線復用器框圖和性能圖

總 結(jié)

所有5G手機和其他設備制造商面臨一個主要問題：隨著可用天線面積繼續(xù)縮小，如何適應不斷增加的射頻復雜性。

天線復用器提供了一個優(yōu)雅的解決方案。

通過使用天線復用器，制造商可繼續(xù)添加吸引消費者的創(chuàng)新功能（如更大容量的電池和更多攝像頭），同時實現(xiàn)5G的所有益處。

原文標題：利用天線復用器應對 5G 天線設計挑戰(zhàn)

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責任編輯：haq