下一代智能手機天線設(shè)計解決方案

下一代移動設(shè)備的快速創(chuàng)新帶來了天線實現(xiàn)方面的重大工程挑戰(zhàn)。關(guān)鍵問題在于，由于蜂窩、Wi-Fi、超寬帶 (UWB)、毫米波 (mmW) 和 GPS 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了新頻段和提出了新要求，使得 5G 手機的射頻路徑通常為 LTE 手機的兩倍多。然而，空間不足限制了增加新天線及/或在多個頻段之間共享天線的能力，從而引發(fā)了更復(fù)雜的問題。工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新（如可折疊或可卷曲屏幕以及使用虛擬控件取代物理按鈕）對天線設(shè)計和布局帶來了明顯限制。增加載波功率要求與 OME 系統(tǒng)效率目標(biāo)和改進（如電池使用壽命）之間的沖突也帶來了額外挑戰(zhàn)。Qorvo 在幫助企業(yè)解決棘手射頻問題方面擁有豐富的經(jīng)驗，其重新構(gòu)想 Qorvo 天線解決方案 (QASR) 可幫助工程師應(yīng)對空間、設(shè)計和性能挑戰(zhàn)，以便利用射頻架構(gòu)中的天線功率。

快速發(fā)展的移動行業(yè)

隨著智能手機和可穿戴設(shè)備制造商與移動運營商競相提供更大覆蓋范圍、更高數(shù)據(jù)速率、全新的無線通信功能和變革性工業(yè)設(shè)計，移動行業(yè)的創(chuàng)新步伐繼續(xù)快速前進。

智能手機制造商開始擴大產(chǎn)品系列的 5G 支持，以滿足視頻流、視頻會議、音樂和游戲等數(shù)據(jù)密集型服務(wù)日益增長的需求。因此，用于高端手機的 5G 高帶寬 6 GHz 以下頻段（n77/n78 和 n79）和更寬毫米波頻段 (n257-n261) 如今也開始用于中端和大眾市場手機。在增加射頻復(fù)雜性的同時，5G 不僅需要增加新的蜂窩頻段，還需要在更高頻段上支持 4x4 MIMO，以實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸速度。

制造商還在手機中增加了更多非蜂窩頻段，以提供更快的網(wǎng)絡(luò)，支持新的定位服務(wù)。例如：Wi-Fi 6E/7 將 Wi-Fi 擴展到 6 GHz 頻段，并提供超寬的 160-320 MHz 信道，以便為高清流傳輸、虛擬現(xiàn)實和點對點游戲等應(yīng)用提供更高的性能，同時緩解 Wi-Fi 頻譜廣泛使用所造成的擁堵。

最初用于高端手機的 UWB 技術(shù)，如今也開始用于中端和大眾市場手機。UWB 能夠以前所未有的精度（誤差在幾厘米內(nèi)），在室內(nèi)或室外計算距離和位置，并且開始支持全新的定位應(yīng)用和設(shè)備。顧名思義，UWB 使用的信道寬度至少為 500 MHz，頻率范圍為 3.1-10.6 GHz，目前移動應(yīng)用主要使用的頻率范圍為 6-9 GHz。制造商還開始增加新的 GPS L5 和 L2 頻段，這為任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用提供了更高定位精度等各種優(yōu)勢。

與此同時，隨著移動運營商尋求優(yōu)化現(xiàn)有頻譜的使用，以提高數(shù)據(jù)速率，智能手機開始增加越來越多的多蜂窩頻段復(fù)雜組合。許多運營商開始使用 EN-DC（E-UTRAN 新無線電 — 雙連接），這樣就可以通過使用 4G 錨頻段與 5G 數(shù)據(jù)頻段組合在某些地區(qū)更快地部署 5G 數(shù)據(jù)速率。載波聚合 (CA) 整合了多個分量載波 (CC)，以實現(xiàn)更大帶寬和更高數(shù)據(jù)速率。隨著組合選項中添加了越來越多的頻段，CA 現(xiàn)在也開始變得越來越復(fù)雜。5G 定義了數(shù)百種最多可達 16 個 CC 的新組合，每種組合的連續(xù)帶寬可達 100 MHz，總聚合帶寬可達 1 GHz 左右。其中包括具有挑戰(zhàn)性的兩個或多個低頻段新聚合，如歐洲或亞洲的 B20 + B28 組合和北美的 B5 + B12、B13 或 B14 組合，它們具有更大范圍和更大吞吐量等優(yōu)勢。

制造商還開始采用更高的發(fā)射功率，以擴大高頻信號的覆蓋范圍，因為高頻信號的傳播距離不及低頻信號。2 級功率可使天線的發(fā)射功率翻倍（達到 26 dB），目前已經(jīng)廣泛使用，而業(yè)界目前也開始探索能使功率進一步增加兩倍（至 29 dB）的 1.5 級功率。

工業(yè)設(shè)計創(chuàng)新

由于制造商在尋求新方法來實現(xiàn)產(chǎn)品差異化，并提供令人欣喜的全新消費者體驗，智能手機工業(yè)設(shè)計也開始快速發(fā)展。變革性設(shè)計包括可卷曲屏幕的手機和可折疊屏幕的翻蓋手機。環(huán)繞手機邊框的屏幕具有前沿的時尚外觀，同時盡可能擴大消費者可用的屏幕面積。物理按鈕開始被虛擬控件所取代，虛擬控件通常位于手機的下邊框或側(cè)邊框。此外，制造商還在不斷增加用戶看重的其他新功能，如更出色的顯示屏、更多的攝像頭、多種生物識別認(rèn)證方法、更高質(zhì)量的揚聲器和更大的電池。雖然它們對消費者極具吸引力，但這些功能會占據(jù)空間，從而減少射頻前端 (RFFE) 可用的空間，而且它們還會對 RFFE 組件和天線的位置帶來新的限制。

這些趨勢導(dǎo)致了使用蜂窩和/或非蜂窩連接的小型物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備爆炸式增長，包括手表、其他可穿戴設(shè)備和小型跟蹤設(shè)備。在這些設(shè)備中，空間至關(guān)重要，而將射頻內(nèi)容壓縮到微型空間中也非常重要。

天線挑戰(zhàn)

連接和工業(yè)設(shè)計方面的這些創(chuàng)新給致力于下一代智能手機和其他移動設(shè)備的工程師帶來了各種相互關(guān)聯(lián)的天線挑戰(zhàn)。

射頻路徑翻了兩倍多

增加新的蜂窩和非蜂窩頻段大大提高了移動設(shè)備中射頻路徑的總數(shù)。支持 mmW 頻段和 UWB 的典型 5G 手機的射頻路徑是典型 4G 手機的兩倍多。每條射頻路徑都需要連接至天線，但要將天線的數(shù)量翻倍根本不可能。這是因為手機內(nèi)部可用空間有限：增加天線數(shù)量意味著它們必須彼此靠近，從而會降低天線之間的隔離度。這會導(dǎo)致耦合相關(guān)問題，從而增加 RFFE 中存在非線性元件的可能性，使接收器的靈敏度降低。

考慮到固定外形尺寸中可實現(xiàn)的天線總數(shù)限制，處理射頻路徑數(shù)量增長的邏輯方法就是增加每個天線的帶寬，以支持更多頻段。然而，這種方法也會帶來挑戰(zhàn)。天線帶寬越寬，損耗往往就越大。它們可能需要更多空間，因為天線的尺寸是由其支持的最低頻率決定的。此外，使用單根天線同時發(fā)射和接收多個頻段會提高混合信號產(chǎn)生非線性雜散發(fā)射的風(fēng)險。解決這些問題并非易事：需要進行仔細分析并采用專門的天線設(shè)計技術(shù)，同時在 RFFE 中結(jié)合適當(dāng)?shù)臑V波和路由解決方案。

超寬帶

支持 UWB 需要使用 3 或 4 根相對較大的貼片天線，而這會占用手機內(nèi)原本就很擁擠的大量空間。因此，制造商開始尋找將其中一些天線組合在一起的方法，以減少所需的整體空間。另一個考量就是，是否將一根天線置于手機的邊框，以實現(xiàn)出色的全方位測距性能。

載波聚合和 EN-DC

CA 和 EN-DC 頻段組合的快速增加加劇了天線挑戰(zhàn)。如今，可實現(xiàn)的聚合包括高、中、低頻段的數(shù)百種不同組合。既包括每個頻率范圍內(nèi)的多頻段組合（如低-低或中-中聚合），也包括不同頻譜范圍內(nèi)的頻段組合（如低-中和低-中-高聚合）。此外，每個 CC 的最大帶寬也在增加。4G 將載波帶寬限制在 20 MHz，而 5G 則將最大連續(xù)帶寬增加至 45 MHz（用于 2300 MHz 以下頻段），最高可達 100 MHz（用于 2300 MHz 以上頻段）。

因為天線總數(shù)有限，每根天線可能都需要在非常寬的頻率范圍內(nèi) (600 MHz-5000 MHz) 提供高性能寬帶發(fā)射和接收信號。

低-低聚合帶來了一些最具挑戰(zhàn)性的天線設(shè)計問題。移動手機通常使用位于手機頂部和底部的兩根主要天線來支持低頻段。這些天線位置最大限度地減少了用戶與手機交互會降低性能的可能性，因為消費者通常將手放在手機兩側(cè)，而不是頂部和底部。關(guān)鍵問題在于，低-低聚合可能需要使用支持低頻段發(fā)射的第三根天線。這意味著，制造商需要在手機內(nèi)找到更多空間來放置這根天線，并確保所選天線位置在所有使用條件下都能夠提供足夠的性能。

更高Tx 功率

PC 2 和 PC 1.5 規(guī)格中定義的更高功率輸出會影響智能手機的電池使用壽命。這也意味著，RFFE 內(nèi)部的所有后 PA 組件（包括天線調(diào)諧器）都需要處理更多功率。這通常意味著需要使用更大的組件，但考慮到空間限制，這成為一大問題。輸出功率的增加也意味著 RFFE 組件將生成更高電平的雜散信號，從而需要額外關(guān)注如何緩解靈敏度降低和 RSE 問題。

新設(shè)計可縮小天線空間

采用可折疊和可卷曲屏幕的新手機設(shè)計帶來了一系列天線挑戰(zhàn)。手機必須能夠在不同的物理狀態(tài)下（卷曲或展開、折疊或打開）運行，這嚴(yán)重限制了天線的潛在位置，并且還可能需要使用不同的天線材料。更大的挑戰(zhàn)是，設(shè)計的限制可能意味著天線必須置于次優(yōu)位置，這使其性能更容易受到人類交互的影響。天線接地可能會受影響，從而影響輻射效率。為確保在所有使用條件下的運行效率，需要仔細設(shè)計和定位天線。

使用軟件定義的虛擬按鈕代替機械按鈕會帶來額外的天線挑戰(zhàn)。將這些按鈕置于手機底部可最大限度地提高便利性和用戶可用的屏幕空間，但這也意味著它們可能會干擾過去放置在此位置的主天線。

誰將率先解決挑戰(zhàn)？

正如本文所展示的，下一代移動設(shè)備帶來了相當(dāng)多的天線設(shè)計和工程問題。那么，誰將率先解決挑戰(zhàn)？除了克服極其困難的挑戰(zhàn)所帶來的當(dāng)之無愧的自豪感，贏得創(chuàng)新競賽的團隊將在消費者支持之爭中具有顯著的競爭優(yōu)勢。

QASR 如何提供幫助

重新構(gòu)想 Qorvo 天線解決方案 (QASR) 在幫助智能手機工程師解決下一代智能手機和其他設(shè)備所面臨的天線挑戰(zhàn)方面獨具優(yōu)勢。

Qorvo 致力于投資能夠促進創(chuàng)新并支持手機持續(xù)發(fā)展的技術(shù)。然而，創(chuàng)新技術(shù)本身不足以解決棘手的射頻問題。因此，Qorvo 與移動行業(yè)緊密合作，幫助工程師解決每種移動設(shè)備面臨的獨有設(shè)計問題。Qorvo 在幫助制造商將創(chuàng)新解決方案融入智能手機和其他設(shè)備方面擁有極其豐富的經(jīng)驗，包括：

業(yè)界首款天線調(diào)諧器，可幫助提高更廣泛頻段中的天線效率。

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推動新型定制技術(shù)的發(fā)展，以滿足天線調(diào)諧、傳輸功能和射頻路由方面的 5G 需求。

QASR 可幫助您應(yīng)對空間、設(shè)計和性能挑戰(zhàn)，以便利用射頻架構(gòu)中的天線功率。

原文標(biāo)題：重新構(gòu)想面向下一代移動設(shè)備的天線設(shè)計解決方案

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審核編輯:湯梓紅