智能手機(jī)設(shè)計(jì)小Tips（3）：巧妙解決4G天線(xiàn)設(shè)計(jì)難題

　　2010年全球移動(dòng)數(shù)據(jù)消費(fèi)量增長(zhǎng)了2.6倍。這是移動(dòng)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(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量有望增長(zhǎng)到2010年的26倍。導(dǎo)致這種戲劇性增長(zhǎng)的關(guān)鍵因素之一是智能手機(jī)和平板電腦的快速普及。全球移動(dòng)數(shù)據(jù)用戶(hù)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(xiàn)是“接觸”網(wǎng)絡(luò)的唯一部件，優(yōu)化天線(xiàn)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(xiàn)設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)十分艱巨。盡管應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)有多種可行的解決方案，但每一種都會(huì)有潛在的性能折衷。
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　　智能手機(jī)設(shè)計(jì)小Tips（1）：徹底解決觸摸屏誤觸難題

　　智能手機(jī)設(shè)計(jì)小Tips（2）：分離與集成的設(shè)計(jì)考量

　　4G天線(xiàn)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　有許多因素會(huì)影響手持移動(dòng)通信設(shè)備的天線(xiàn)性能。雖然這些因素是相關(guān)的，但通?？梢苑殖扇箢?lèi)：天線(xiàn)尺寸、多副天線(xiàn)之間的互耦以及設(shè)備使用模型。

　　天線(xiàn)尺寸天線(xiàn)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?！皫捄吞炀€(xiàn)尺寸是直接相關(guān)的”且“效率和天線(xiàn)尺寸是直接相關(guān)的”--這通常意味著，更大尺寸的天線(xiàn)可以提供更大的帶寬和 更高的效率。

　　除了帶寬外，天線(xiàn)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(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(xiàn)才能保持輻射效率不變。為了保證輻射效率，天線(xiàn)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(xiàn)長(zhǎng)度和整個(gè)體積受到極大限制，從而降低了天線(xiàn)帶寬和效率。

　　天線(xiàn)間互耦更新的高速無(wú)線(xiàn)協(xié)議要求使用MIMO（多入多出）天線(xiàn)。MIMO要求多根天線(xiàn)（通常是兩根）同時(shí)工作在相同頻率。因此，話(huà)機(jī)設(shè)備上需要放置多根天線(xiàn)，這些天線(xiàn)要同時(shí)工作且相互不能有影響。當(dāng)兩根或更多天線(xiàn)位置靠得很近時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一種被稱(chēng)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(xiàn)。從天線(xiàn)1輻射出來(lái)的一部分能量將被天線(xiàn)2截獲，截獲到的能量將在天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(mǎn)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(lèi)型。諸如大型多人在線(xiàn)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(xiàn)輻射單元找一個(gè)不被顯示屏或用戶(hù)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(lèi)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)。

　　解決方案

　　為了實(shí)現(xiàn)全球通用，智能手機(jī)或 平板電腦必須能在各種頻段和協(xié)議下工作。當(dāng)然，并不要求同時(shí)在所有頻段和協(xié)議下工作，因此可以開(kāi)發(fā)一種能調(diào)整到目標(biāo)工作頻段的天線(xiàn)系統(tǒng)。這種狀態(tài)調(diào)諧式天 線(xiàn)可被稱(chēng)為“智能天線(xiàn)”或“自適應(yīng)天線(xiàn)”。其基本原理是，將瞬時(shí)工作頻率限制為一個(gè)或兩個(gè)感興趣的窄帶頻段，以滿(mǎn)足特定地區(qū)的協(xié)議要求。這樣，對(duì)寬帶工作 的要求就降低了，允許天線(xiàn)被裝進(jìn)更為緊湊的空間，同時(shí)又不犧牲輻射效率。

　　有兩種基本方法進(jìn)行天線(xiàn)調(diào)諧：饋點(diǎn)匹配和孔徑調(diào)諧。不過(guò)，有許多因素會(huì)影響到這些方法的實(shí)現(xiàn)決策，目前還沒(méi)有一個(gè)單獨(dú)的解決方案能適合每種應(yīng)用。

　　饋點(diǎn)匹配饋點(diǎn)匹配可用于許多天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)中，無(wú)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(shí)現(xiàn)天線(xiàn)終端阻抗與無(wú)線(xiàn)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(shí)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(biāo)電路的諧振頻率。

　　根據(jù)所需的天線(xiàn)尺寸來(lái)壓縮和調(diào)諧范圍，一般需要較大范圍的容量變化以實(shí)現(xiàn)頻率遷移，因此通常要求多個(gè)調(diào)諧元件和/或?qū)挿秶恼{(diào)諧值。圖1給出使用可變?cè)奶炀€(xiàn)饋點(diǎn)匹配電路。

　　圖1：采用可變阻抗匹配電路的固定式寬帶天線(xiàn)

　　孔徑調(diào)諧孔徑調(diào)諧是通過(guò)改變輻射元件的諧振結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。典型的實(shí)現(xiàn)方式是采用一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)來(lái)選擇天線(xiàn)結(jié)構(gòu)上的不同負(fù)載元件。開(kāi)關(guān)負(fù)載元件會(huì)影響天線(xiàn)的電氣長(zhǎng)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(xiàn)的交流電路模型。

　　圖2：采用固定饋點(diǎn)匹配電路的可變狀態(tài)天線(xiàn)

　　不論是采用饋點(diǎn)匹配還是孔徑調(diào)諧方法，如果天線(xiàn)同時(shí)用于發(fā)射和接收，那么調(diào)諧器件就必須能夠承受最大發(fā)射功率，而且要能保持良好的性能特征。