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4G智能手机天线这么屌,你知道吗?

2014-06-25 10:34:05 慧眼网

一、目前各手机厂商普遍困扰

我们最近在与各品牌的手机资源和研发人员交流时,一个普遍困扰大家的问题就是:飞速发展的4G时代,天线成了目前手持终端的一个瓶颈。目前无论在国内手机天线市场上占有率比较大的硕贝德、信维还是老牌天线厂家向移动终端转型的一些代表,如太盟(台湾)等天线厂家,所面临的都是4G天线所带来的巨大挑战。下面我们来探讨一下是哪些原因造成了这一技术难题。

二、天线面临的任务和挑战

全球移动数据用户希望他们的设备在全球任何地方都能高速联网。这种期望给网络和设备性能带来了巨大的负担。在移动数据设备中,天线是“接触”网络的唯一部件,优化天线性能变得越来越重要。然而,智能手机和平板电脑中的4G天线设计所面临的挑战十分艰巨。

在中国,我们常说五模十频。就是指不同运营商使用不同的制式和使用不同的无线频段。此外还有蓝牙、WIFI、收音、GPS等。任何一个与外界的接触都离不开天线。而现在手机平板等却在向轻薄的方向发展,这给天线所预留的空间越来越少。

今天我们看看在4G时代,天线是如何完成这一任务和挑战的。

我们知道有许多因素会影响手持移动通信设备的天线性能。虽然这些因素是相关的,但通常可以分成三大类:天线尺寸、多副天线之间的互耦宝贝以及设备使用模型。

天线尺寸取决于三个要素

天线尺寸取决于三个要素:工作带宽、工作频率和辐射效率。今天的带宽要求越来越高,其推动力来自美国的FCC 频率分配和全球范围内的运营商漫游协议;不同地区使用不同的频段。“带宽和天线尺寸是直接相关的”且“效率和天线尺寸是直接相关的”——这通常意味着,更大尺寸的天线可以提供更大的带宽和更高的效率。

除了带宽外,天线尺寸还取决于工作频率。在北美地区,运营商Verizon Wireless和AT&T Mobility选择推广的LTE是英文Long Term Evolution的缩写。LTE也被通俗的称为3.9G,具有100Mbps的数据下载能力,被视作从3G向4G演进的主流技术。"

产品工作在700M赫兹频段,这在几年前是FCCUHF-TV再分配频段的一部分。这些新的频段(17,704-746MHz和13,746-786MHz)比北美使用的传统蜂窝频段(5,824-894MHz)要低。这个变化是巨大的,因为频率越低,波长越长,因而需要更长的天线才能保持辐射效率不变。为了保证辐射效率,天线尺寸必须做大。然而,设备系统设计人员还需要增加更大的显示器和更多的功能,因此可用的天线长度和整个体积受到极大限制,从而降低了天线带宽和效率。

天线间互耦需预防干扰

天线间互耦更新的高速无线协议要求使用MIMO(多入多出)天线。MIMO要求多根天线(通常是两根)同时工作在相同频率。因此,话机设备上需要放置多根天线,这些天线要同时工作且相互不能有影响。当两根或更多天线位置靠得很近时,就会产生一种被称为互耦的现象。

举例说明,移动平台上紧邻放置两根天线。从天线1辐射出来的一部分能量将被天线2截获,截获到的能量将在天线2的终端中损耗掉,无法得到利用,这可以用系统功率附加效率(PAE)的损耗来表示。根据互换性原理,这种效应在发送和接收模式中是相同的。耦合幅度反比于天线的分隔距离。对于手机实现而言,MIMO和分集应用中工作在相同频段的天线之间的距离可以是1/10波长或以下。例如,750MHz时的自由空间波长是400mm。当间隔很小时,比如远小于一个波长,则耦合程度会很高。天线之间耦合的能量是无用的,只会降低数据吞吐量和电池寿命。

设备使用模型影响天线

设备使用模型与传统手机相比,智能手机和平板电脑的使用模型有很大变化。除了正常工作外,这些设备还要满足电磁波能量吸收比(SAR)和助听器兼容性(HAC)法规要求。

使用模型的另一个方面是消费内容的类型。诸如大型多人在线角色扮演游戏(MMORPG)和实时视频数据流等视频密集型移动应用不断推动数据使用率飙升。据ABI Research预测,从2009年到2015年,西欧和北美地区数据使用率有望分别以42%和55%的年复合增长率(CAGR)增长。这些相似的应用正在驱动制造商生产出更大尺寸、更高分辨率的显示屏。数据使用率的提高也在悄然改变消费者对这些设备的手持方式。例如,对于游戏应用来说,使用者必须用两手紧握设备两头,而其它应用程序可能根本无需用手握住设备。

越来越大的显示屏和使用者抓握方式的改变,使得为天线辐射单元找一个不被显示屏或用户手掌阻挡的好位置变得越来越困难。除了这些约束外,设备制造商希望产品系列拥有更少的SKU(最小存货单位),而且开发出能够在全球任何地方工作的平台是此类产品的发展趋势。

此外,一些终端使用金属的外壳,这也会给天线的信号接收发出带极大的挑战。

综上这几个方面的原因,这就给移动4G天线的设计和制造带来了较大的挑战。如何在有限的空间里,设计制造出更小更强的天线。这都需要业界的不懈投入。如何在矛盾中找到平衡?相应解决的方案我们将会在后续探讨。

三、目前国内无线频段的分布:

以下是目前我国给各无线频段的分配表:

国内无线频谱分配情况说明:

国内无线频谱分析(WRC-07新分配频段分析):

关于4G天线,更多精彩,未完待续。


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