手機(jī)信號(hào)不好?你得關(guān)心關(guān)心天線了

精準(zhǔn)的天線調(diào)諧可以幫助智能手機(jī)利用新技術(shù)和新的頻譜資源。

還記得你拉出自己的第一部手機(jī)上的天線來打電話嗎?在過去的25年中，天線設(shè)計(jì)已經(jīng)徹底改變了手機(jī)。當(dāng)我們從2G轉(zhuǎn)換到3G繼而轉(zhuǎn)到LTE時(shí)，我們已經(jīng)逐步降低了10dB的鏈路預(yù)算。

隨著網(wǎng)絡(luò)顯著改進(jìn)，在消費(fèi)者沒有太多反饋的情況下，我們已經(jīng)能夠降低手機(jī)天線的性能，這雖然令人震驚但確實(shí)是真實(shí)情況。

多種因素導(dǎo)致這個(gè)結(jié)果，包括消除擴(kuò)展天線、金屬支架手機(jī)殼、多載波天線、載波聚合、授權(quán)協(xié)助接入和多輸入/多輸出天線技術(shù) (MIMO)、天線形狀因數(shù)、投入市場(chǎng)時(shí)間的壓力。

因?yàn)檎畽C(jī)構(gòu)會(huì)對(duì)天線端口進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)其是否具有連接器，而且載波通常在“自由空間”環(huán)境下執(zhí)行測(cè)試，所以大多數(shù)用戶沒有注意到天線性能降低。

在相當(dāng)優(yōu)化的條件下，美國無線通信和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會(huì)(CTIA)認(rèn)證需要進(jìn)行自由空間測(cè)試。進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能測(cè)試時(shí)，采用的手握夾具與現(xiàn)實(shí)情況下“手握”不同，在測(cè)試時(shí)使用泡沫將手與夾具之間相隔開，以避免使用真正的手而出現(xiàn)模擬性能差的情況。

圖1：手機(jī)由外部天線轉(zhuǎn)為內(nèi)部天線，天線效率有所降低

25年來對(duì)于天線性能的改變開始轉(zhuǎn)向另一個(gè)方向，我們發(fā)現(xiàn)手機(jī)制造商投資了一項(xiàng)新技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)專門針對(duì)改善總輻射功率和總靈敏度，可以為手機(jī)用戶帶來巨大的好處。

天線分集

除了調(diào)諧主天線之外，向終端添加分集天線可能會(huì)提高手機(jī)性能。由于大多數(shù)智能手機(jī)現(xiàn)在都應(yīng)用LTE的2x2 MIMO，LTE頻帶的設(shè)計(jì)已經(jīng)添加了第二根天線。

事實(shí)上，LTE標(biāo)準(zhǔn)允許使用第二根天線用于接收機(jī)分集或用于MIMO，選擇對(duì)于主導(dǎo)信道條件更加有利的模式。

將這一概念進(jìn)一步推進(jìn)，現(xiàn)在谷歌Pixel 和三星Galaxy S7等幾款手機(jī)在關(guān)鍵LTE頻段中使用四根天線，支持選擇四路接收機(jī)分集和4x4 MIMO。自由空間測(cè)試手機(jī)行能時(shí)，吞吐量的增加并不明顯。

現(xiàn)實(shí)生活中，用手抓住手機(jī)的金屬外殼進(jìn)行通話，額外的天線可能會(huì)對(duì)吞吐量產(chǎn)生很大的影響。一些供應(yīng)商的測(cè)試記錄了吞吐量的增幅超過60%。

移動(dòng)運(yùn)營商開始為一些基站投資4x4 MIMO，但并不是任何地方都具有配備4x4 MIMO的能力。因此，我們構(gòu)想智能手機(jī)的架構(gòu)具有分集開關(guān)，允許4x4 MIMO操作或四路接收機(jī)分集，旨在讓手機(jī)在任何情況下都具有最佳性能。

調(diào)諧功能

光圈調(diào)諧在10年前就已經(jīng)推出，并已成為任何智能手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)部分，包括700MHz和960MHz之間的多個(gè)頻段。如今大多數(shù)智能電話中，天線長度的改變可以作為一個(gè)開關(guān)，從而將其諧振頻率從一個(gè)頻帶轉(zhuǎn)變到另一個(gè)頻帶。一些手機(jī)使用MEMS器件來改變諧振頻率。

手機(jī)除了頻率調(diào)諧功能外，現(xiàn)在超過100個(gè)智能手機(jī)型號(hào)包括阻抗匹配調(diào)諧，這個(gè)調(diào)諧功能適應(yīng)于降低手機(jī)對(duì)手機(jī)的影響。閉環(huán)阻抗匹配調(diào)諧可以恢復(fù)超過4dB的輻射功率損失性能，這給手機(jī)用戶帶來好處。

例如，手機(jī)電池每天能多續(xù)航一個(gè)小時(shí);手機(jī)能夠進(jìn)行更穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通話，由于TDD鏈路上行鏈路限制，故而使用TRP鏈路，恢復(fù)4dB手機(jī)性能極大地提高了LTE鏈路的穩(wěn)定性;帶來更高的數(shù)據(jù)吞吐量，更高的信號(hào)質(zhì)量有益于上行鏈路和下行鏈路。

圖2：手機(jī)與手機(jī)之間帶來的失配損耗可以通過閉環(huán)調(diào)諧消除

載波聚合(CA)

許多人認(rèn)為天線調(diào)諧與載波聚合不兼容，特別是在針對(duì)“低-低”頻帶組合或“高-高”頻帶組合實(shí)現(xiàn)載波聚合的情況下。

然而，目前使用的閉環(huán)調(diào)諧可以適用于不同的情況，移動(dòng)專家預(yù)測(cè)即使在“低-低”CA情況下，也可以采用阻抗匹配調(diào)諧和孔徑調(diào)諧。

CA發(fā)展的下一步是調(diào)制解調(diào)器需要做出一些選擇，決定調(diào)諧設(shè)置需要寬帶匹配還是窄帶匹配。

值得注意的是，載波聚合可以包括多個(gè)授權(quán)頻帶，也可以包括LAA，3.5GHz寬帶無線服務(wù)和其他頻帶。當(dāng)許可和非許可頻帶的不斷組合時(shí)，CA算法可能會(huì)變得相當(dāng)復(fù)雜。

接下來會(huì)如何發(fā)展呢?

行業(yè)模式已經(jīng)開始改變。十年前，手機(jī)OEM在認(rèn)識(shí)用戶所做的某些天線選擇方面的性能較差，但他們不愿意每部手機(jī)花費(fèi)2美元來解決這些問題。

如今，OEM手機(jī)廠商已經(jīng)主動(dòng)選擇使用調(diào)諧來解決問題。解決方案已經(jīng)被簡(jiǎn)化和“系統(tǒng)化”，成本遠(yuǎn)低于從前。新的手機(jī)使用分集和調(diào)諧的組合，日常使用時(shí)可以提高4dB，在某些情況下甚至可以提高10dB。

圖3：系統(tǒng)閉環(huán)設(shè)計(jì)也可適應(yīng)于改善寬帶性能

如果拍賣使得600MHz的頻譜用于移動(dòng)通信，我們預(yù)計(jì)天線性能的問題會(huì)變得更加嚴(yán)峻。同樣長的天線，工作在較低頻率時(shí)，因?yàn)楣ぷ鞑ㄩL長了，天線的電尺寸就變小了。這會(huì)導(dǎo)致天線效率較差，迫使系統(tǒng)工程師使用更窄的諧振天線來減少電損耗。由于600MHz頻帶進(jìn)入市場(chǎng)需要與700MHz或850MHz頻帶載波聚合，因此我們需要使用更復(fù)雜“系統(tǒng)化”調(diào)諧器，能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境下針對(duì)多個(gè)頻帶進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵在于將天線視為一個(gè)系統(tǒng)，而不是一個(gè)組件。手機(jī)OEM廠商正在處理數(shù)十個(gè)頻帶，其產(chǎn)品旨在將無數(shù)的頻率組合。找到更加智能的天線調(diào)諧是一個(gè)復(fù)雜的問題。

實(shí)施高級(jí)閉環(huán)天線算法的調(diào)制解調(diào)器供應(yīng)商將能夠從給手機(jī)帶來更多的性能。這雖然不是一個(gè)技術(shù)細(xì)節(jié)，但能夠帶來一個(gè)主要的影響：閉環(huán)調(diào)諧可以有效地使手機(jī)的性能加倍。這對(duì)于任何手機(jī)用戶來說，都將帶來更長的電池壽命和更高的數(shù)據(jù)速度。

Joe Madden是Mobile Experts LLC的首席分析師。Madden為我們的預(yù)測(cè)提供業(yè)務(wù)分析，以及從事半導(dǎo)體領(lǐng)域研究。

他在移動(dòng)通信領(lǐng)域工作超過了26年，在這段時(shí)間里，他準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了數(shù)字預(yù)失真，遠(yuǎn)程無線電頭端，小小區(qū)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)IT市場(chǎng)的興起。他通過移動(dòng)和有線電視運(yùn)營商以及硬件供應(yīng)商驗(yàn)證想法，將業(yè)務(wù)模式與技術(shù)之間相匹配。盡管開始他在Stanford學(xué)習(xí)經(jīng)濟(jì)學(xué)，后來擁有UCLA的物理學(xué)學(xué)位。