中心議題：

• 4G天線設計挑戰
• 4G智能手機天線設計案例說明
• 4G智能手機天線使用模型

解決方案

• 采用可變阻抗匹配電路的固定式寬帶天線
• 采用固定饋點匹配電路的可變狀態天線

2010年全球移動數據消費量增長了2.6倍。這是移動數據使用量連續三年接近3倍的增幅。到2015年，全球移動數據業務量有望增長到2010年的26倍(bei)。導(dao)致(zhi)這(zhe)種(zhong)戲(xi)劇(ju)性(xing)增(zeng)長(chang)的(de)關(guan)鍵(jian)因(yin)素(su)之(zhi)一(yi)是(shi)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)和(he)平(ping)板(ban)電(dian)腦(nao)的(de)快(kuai)速(su)普(pu)及(ji)。全(quan)球(qiu)移(yi)動(dong)數(shu)據(ju)用(yong)戶(hu)希(xi)望(wang)他(ta)們(men)的(de)設(she)備(bei)在(zai)全(quan)球(qiu)任(ren)何(he)地(di)方(fang)都(dou)能(neng)高(gao)速(su)聯(lian)網(wang)。　　

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天線設計所麵臨的挑戰十分艱巨。盡管應對這些挑戰有多種可行的解決方案，但每一種都會有潛在的性能折衷。　　

4G天線設計挑戰　　

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以及設備使用模型。　　

天線尺寸天線尺寸取決於三個要素：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頻率分配和全球範圍內的運營商漫遊協議；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
，天線尺寸還取決於工作頻率。在北美地區

，運營商Verizon Wireless和AT&T Mobility選擇推廣的LTE產品工作在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)比北美使用的傳統蜂窩頻段(5，824－894MHz)要(yao)低(di)。這(zhe)個(ge)變(bian)化(hua)是(shi)巨(ju)大(da)的(de)，因(yin)為(wei)頻(pin)率(lv)越(yue)低(di)
，波(bo)長(chang)越(yue)長(chang)
，因(yin)而(er)需(xu)要(yao)更(geng)長(chang)的(de)天(tian)線(xian)才(cai)能(neng)保(bao)持(chi)輻(fu)射(she)效(xiao)率(lv)不(bu)變(bian)。為(wei)了(le)保(bao)證(zheng)輻(fu)射(she)效(xiao)率(lv)，天(tian)線(xian)尺(chi)寸(cun)必(bi)須(xu)做(zuo)大(da)。然(ran)而(er)，設(she)備(bei)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)還(hai)需(xu)要(yao)增(zeng)加(jia)更(geng)大(da)的(de)顯(xian)示(shi)器(qi)和(he)更(geng)多(duo)的(de)功(gong)能(neng)，因(yin)此(ci)可(ke)用(yong)的(de)天(tian)線(xian)長(chang)度(du)和(he)整(zheng)個(ge)體(ti)積(ji)受(shou)到(dao)極(ji)大(da)限(xian)製(zhi)
，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)了(le)天(tian)線(xian)帶(dai)寬(kuan)和(he)效(xiao)率(lv)。　　

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)tongshigongzuozaixiangtongpinlv。yinci，huajishebeishangxuyaofangzhiduogentianxian，zhexietianxianyaotongshigongzuoqiexianghubunengyouyingxiang。danglianggenhuogengduotianxianweizhikaodehenjinshi，jiuhuichanshengyizhongbeichengweihuoudexianxiang。　　

舉例說明，移動平台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，這可以用係統功率附加效率(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。耦合幅度反比於天線的分隔距離。對於手機實現而言
，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，比如遠小於一個波長

，則耦合程度會很高。天線之間耦合的能量是無用的，隻會降低數據吞吐量和電池壽命。　　

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麵是消費內容的類型。諸如大型多人在線角色扮演遊戲(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%的年複合增長率(CAGR)增長。這些相似的應用正在驅動製造商生產出更大尺寸、更geng高gao分fen辨bian率lv的de顯xian示shi屏ping。數shu據ju使shi用yong率lv的de提ti高gao也ye在zai悄qiao然ran改gai變bian消xiao費fei者zhe對dui這zhe些xie設she備bei的de手shou持chi方fang式shi。例li如ru，對dui於yu遊you戲xi應ying用yong來lai說shuo

，使shi用yong者zhe必bi須xu用yong兩liang手shou緊jin握wo設she備bei兩liang頭tou
，而er其qi它ta應ying用yong程cheng序xu可ke能neng根gen本ben無wu需xu用yong手shou握wo住zhu設she備bei。　　

越(yue)來(lai)越(yue)大(da)的(de)顯(xian)示(shi)屏(ping)和(he)使(shi)用(yong)者(zhe)抓(zhua)握(wo)方(fang)式(shi)的(de)改(gai)變(bian)，使(shi)得(de)為(wei)天(tian)線(xian)輻(fu)射(she)單(dan)元(yuan)找(zhao)一(yi)個(ge)不(bu)被(bei)顯(xian)示(shi)屏(ping)或(huo)用(yong)戶(hu)手(shou)掌(zhang)阻(zu)擋(dang)的(de)好(hao)位(wei)置(zhi)變(bian)得(de)越(yue)來(lai)越(yue)困(kun)難(nan)。除(chu)了(le)這(zhe)些(xie)約(yue)束(shu)外(wai)，設(she)備(bei)製(zhi)造(zao)商(shang)希(xi)望(wang)產(chan)品(pin)係(xi)列(lie)擁(yong)有(you)更(geng)少(shao)的(de)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台是此類產品的發展趨勢。　　

解決方案　　

weileshixianquanqiutongyong
，zhinengshoujihuopingbandiannaobixunengzaigezhongpinduanhexieyixiagongzuo。dangran
，bingbuyaoqiutongshizaisuoyoupinduanhexieyixiagongzuo，yincikeyikaifayizhongnengtiaozhengdaomubiaogongzuopinduandetianxianxitong。zhezhongzhuangtaitiaoxieshitianxiankebeichengwei“智能天線”或“自適應天線”。qijibenyuanlishi

，jiangshunshigongzuopinlvxianzhiweiyigehuolianggeganxingqudezhaidaipinduan，yimanzutedingdiqudexieyiyaoqiu。zheyang，duikuandaigongzuodeyaoqiujiujiangdile，yunxutianxianbeizhuangjingengweijincoudekongjian，tongshiyoubuxishengfushexiaolv。　　

有兩種基本方法進行天線調諧：饋點匹配和孔徑調諧。不過，有許多因素會影響到這些方法的實現決策
，目前還沒有一個單獨的解決方案能適合每種應用。　　

饋(kui)點(dian)匹(pi)配(pei)饋(kui)點(dian)匹(pi)配(pei)可(ke)用(yong)於(yu)許(xu)多(duo)天(tian)線(xian)實(shi)現(xian)中(zhong)，無(wu)論(lun)是(shi)可(ke)調(tiao)諧(xie)還(hai)是(shi)不(bu)可(ke)調(tiao)諧(xie)。匹(pi)配(pei)電(dian)路(lu)的(de)主(zhu)要(yao)功(gong)能(neng)是(shi)，在(zai)寬(kuan)範(fan)圍(wei)的(de)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)下(xia)，實(shi)現(xian)天(tian)線(xian)終(zhong)端(duan)阻(zu)抗(kang)與(yu)無(wu)線(xian)電(dian)係(xi)統(tong)其(qi)餘(yu)部(bu)分(fen)阻(zu)抗(kang)(通常是50Ω)的匹配。典型的可調諧匹配實現，使用並聯或串聯可變電容作為阻抗匹配電路的一部分。調整電容容量可以改變目標電路的諧振頻率。　　

根據所需的天線尺寸來壓縮和調諧範圍
，一般需要較大範圍的容量變化以實現頻率遷移

，因此通常要求多個調諧元件和/或寬範圍的調諧值。圖1給出使用可變元件的天線饋點匹配電路。[page]
 

圖1：采用可變阻抗匹配電路的固定式寬帶天線

孔徑調諧孔徑調諧是通過改變輻射元件的諧振結構實現的。典型的實現方式是采用一個簡單的開關來選擇天線結構上的不同負載元件。開關負載元件會影響天線的電氣長度
，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

、孔徑調諧天線的交流電路模型。
 

圖2：采用固定饋點匹配電路的可變狀態天線

bulunshicaiyongkuidianpipeihaishikongjingtiaoxiefangfa，ruguotianxiantongshiyongyufashehejieshou，nametiaoxieqijianjiubixunenggouchengshouzuidafashegonglv，erqieyaonengbaochilianghaodexingnengtezheng。

案例說明　　

下麵這個例子很好地說明了調諧方法在天線體積減小方麵帶來的好處。這裏用3D電磁建模程序分析兩種不同的天線配置：一種是寬帶設計
；另一種是可以在相同頻率範圍內調諧，但使用了4個調諧狀態的窄帶設計。　　

圖3a顯示了一個50x6x14mm的7頻段天線配置，以及從700MHz至960MHz的較低三波段頻譜範圍內的相關輻射效率。圖3b顯示了相似的但體積更小(50x6x7mm)的天線配置。從圖中可以看出，使用4個狀態的調諧電路，可以產生幾乎與較大的寬帶天線相同的效率，以及整體頻率覆蓋率。
 

圖3：在700MHz至960MHz範圍內，a)多頻段天線 和 b)調諧天線的體積和輻射效率的比較(天線尺寸單位:mm)。

[page]
從圖3示shi例li可ke以yi清qing楚chu看kan到dao，通tong過guo將jiang天tian線xian調tiao諧xie到dao某mou一yi種zhong狀zhuang態tai，每mei個ge狀zhuang態tai支zhi持chi特te定ding的de一yi組zu頻pin段duan，就jiu可ke以yi實shi現xian天tian線xian物wu理li體ti積ji的de減jian半ban。在zai天tian線xian工gong作zuo時shi
，如ru要yao改gai變bian工gong作zuo頻pin段duan，隻zhi需xu改gai變bian狀zhuang態tai即ji可ke。但dan這zhe種zhong改gai變bian所suo需xu的de時shi間jian必bi須xu與yu無wu線xian電dian係xi統tong中zhong其qi它ta功gong能neng的de要yao求qiu相xiang一yi致zhi。典dian型xing要yao求qiu是shi10ms至20ms或更短時間。

互hu耦ou效xiao應ying同tong時shi工gong作zuo在zai相xiang同tong頻pin率lv的de相xiang鄰lin天tian線xian間jian會hui產chan生sheng互hu耦ou效xiao應ying，這zhe可ke以yi通tong過guo隔ge離li技ji術shu加jia以yi減jian輕qing。最zui常chang用yong的de技ji術shu是shi在zai物wu理li上shang將jiang天tian線xian彼bi此ci分fen開kai。隨sui著zhe間jian隔ge距ju離li的de增zeng加jia，互hu耦ou效xiao應ying將jiang隨sui之zhi減jian弱ruo。不bu過guo，對dui於yu手shou持chi設she備bei來lai說shuo，很hen難nan提ti供gong足zu夠gou的de間jian距ju來lai減jian弱ruo互hu耦ou效xiao應ying。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia
，係xi統tong設she計ji人ren員yuan需xu要yao采cai用yong其qi它ta不bu同tong的de天tian線xian解jie決jue方fang案an來lai達da到dao規gui範fan要yao求qiu的de性xing能neng指zhi標biao。　　

還有一種可行的解決方案，使用SkyCross公司提供的隔離模式天線技術(iMAT)，從相同的天線結構產生兩種不同的模式。iMAT天線結構放置在手機的一端；兩(liang)個(ge)饋(kui)點(dian)分(fen)別(bie)運(yun)行(xing)不(bu)同(tong)的(de)輻(fu)射(she)模(mo)式(shi)。這(zhe)兩(liang)個(ge)饋(kui)點(dian)是(shi)相(xiang)互(hu)隔(ge)離(li)的(de)，不(bu)會(hui)發(fa)生(sheng)互(hu)耦(ou)導(dao)致(zhi)的(de)損(sun)耗(hao)，因(yin)此(ci)每(mei)種(zhong)模(mo)式(shi)的(de)效(xiao)率(lv)都(dou)很(hen)高(gao)。另(ling)外(wai)，輻(fu)射(she)圖(tu)案(an)是(shi)不(bu)同(tong)的(de)
，因(yin)此(ci)會(hui)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)較(jiao)低(di)的(de)相(xiang)關(guan)係(xi)數(shu)。圖(tu)4描述了iMAT天線的實現原理
，從圖中可以看到
，在相同天線結構上的兩個饋點之間的隔離。
 

圖4、iMAT天線實現原理

使用模型　　

為了緩解各種使用模型的影響
，有必要將狀態調諧和模式隔離兩種方法結合運用。模式隔離允許具有多個饋點的單天線結構執行多個MIMO天線的功能

；而狀態調諧則允許這種結構非常小

，但仍然能夠非常高效地在寬頻率範圍內工作。圖5顯示了以6個調諧狀態覆蓋多個頻段的可變狀態iMAT天線結構的平均測量效率。iMAT結構能在平衡或不平衡的增益配置下工作，並且與傳統天線設計技術相比，能以更小的封裝提供更高的性能。
 

圖5：覆蓋所有3G/ 4G應用，且具有兩個MIMO天線端口的狀態調諧式iMAT結構

對於複雜的智能手機和平板電腦設備，要實現高效天線係統，就必須克服巨大挑戰。新興的LTE和其它4G網絡覆蓋了700MHz至2700MHz的不同頻段。這些新的頻率將增加到傳統3G頻段中
，以滿足全球移動漫遊和兼容性要求。　　

先進的無線網絡通過在用戶設備中使用MIMO來(lai)提(ti)高(gao)數(shu)據(ju)吞(tun)吐(tu)量(liang)。此(ci)外(wai)，諸(zhu)如(ru)在(zai)線(xian)遊(you)戲(xi)和(he)視(shi)頻(pin)流(liu)等(deng)數(shu)據(ju)密(mi)集(ji)型(xing)應(ying)用(yong)正(zheng)在(zai)催(cui)生(sheng)更(geng)大(da)的(de)顯(xian)示(shi)器(qi)和(he)種(zhong)類(lei)廣(guang)泛(fan)的(de)使(shi)用(yong)模(mo)型(xing)。這(zhe)也(ye)給(gei)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)帶(dai)來(lai)更(geng)多(duo)難(nan)題(ti)
，例(li)如(ru)要(yao)在(zai)設(she)備(bei)上(shang)找(zhao)到(dao)足(zu)夠(gou)空(kong)間(jian)來(lai)實(shi)現(xian)多(duo)頻(pin)段(duan)多(duo)天(tian)線(xian)係(xi)統(tong)。幸(xing)運(yun)的(de)是(shi)，狀(zhuang)態(tai)調(tiao)諧(xie)和(he)iMAT等先進的天線設計技術可以幫助設計人員從容應對上述挑戰，靈活實現外觀時尚、功能豐富的移動設備，並提供真正的4G網絡性能。