为中端和高端智能手机提供天线灵活性和高性能

Qorvo半导体 2020-10-29

日前,Qorvo 华北区应用工程经理张杰在北京举办的 EDI CON China 上发表了一场题为《为中端和高端智能手机提供天线灵活性和高性能》的演讲。


张杰首先指出,随着技术的提升,这几年智能手机承载了越来越多的应用和功能,而在这个发展过程中,也给手机天线带来了巨大的挑战:一方面,因为很多新技术和新频段的应用,需要手机天线去覆盖更多和更宽的频段;另一方面,一些新功能和新技术的应用,也需要手机集成更多的天线。


“在之前,手机一般是四到六个天线。但进入到 5G 时代,手机天线的数量有可能会达到十个。但与此同时,智能手机留给天线的空间却越来越小。为了达到更好更高的性能要求,这就给相关供应商提出了更高的需求。”张杰说。



如下图所示,是手机通信制式过去几年的演变。随着通信制式的演进,“柱状图”越来越高,那就意味着手机上的天线需要覆盖的频段范围越来越宽。这就驱使手机天线设计也要随着通信制式的演进而逐步提升。



与此同时,现在的主流手机设计还有另一个明显趋势,那就是手机 PCB 主板设计的时候,其镂空的区域越来越多,这主要是因为最近几年手机开始要引入越来越多的摄像头和步进马达之类的器件,这种设计趋势给手机 PCB 板带来的影响就是在一个手机内部,留给 PCB 布线的空间越来越小,天线所占的面积也随之变小。



现在的手机还有另一个明显趋势就是手机厂商在过去几年一直在追求更高的屏占比,这无疑又给手机天线带来新挑战。因为这样的设计会让手机天线的“净空”会变得越来越少。而随着手机厂商或者智能手表厂商开始采用折叠屏,这种挑战与日俱增。这主要是因为折叠屏在打开和关上的两种场景,会引起手机天线状态的重要变化。


“总结而言,现在市场上对手机天线的要求越来越高、对手机天线的数量要求也越来越高,但与此同时,留给手机天线的设计空间却越来越少,这就给相应的设计界带来前所未有的挑战”,张杰说。他进一步指出,要解决以上问题,将不同功能的天线合并到一个天线上去设计,会是一个不错的选择。


张杰首先以一个支持 LTE 4X4 MIMO 的手机为例,说明天线合并的优势。


如图所示,如果把手机用到的网络都用独立的天线接收,那么总共就需要 12 个天线,如此多的天线在手机里就很难摆得下。为此我们需要想办法把手机上的一些天线合并。而下面就提供了三种不同的天线合并方案。


使用下图的合并方案,天线就可以减少到八根。



除了上述合并方案,下图也是一种天线合并的选择。在这种方式下,手机内的天线同样也从 12 根降低到八根,但合并的是不同频段。



下图则是第三种天线合并方式,采用这种方式,天线的数量更是进一步减少到了六根。



“从以上三幅图的天线合并中,我们看到有些实现框和虚线框,其中的虚线框代表其中的 Antenna multiplexer 可以用 LTCC 滤波器来实现,而实线则代表可以用类似 SAW 和 BAW 之类的腔体滤波器来实现。而 Qorvo 这边则能提供腔体滤波器技术”,张杰表示。


在谈到于两者之间如何选择的时候,张杰指出,如果我们需要合并的天线的频段比较接近,但天线工作的隔离度要求很高,这个时候我们就需要用腔体滤波器的的 Antenna multiplexer 来实现,其他情况则可以用 LTCC 的滤波器实现。



下面,我们将从频段入手,谈一下天线合并的规则。



如上图中所示,这是一个 MHB 的 MIMO 天线,能支持的频段介乎 1.71Ghz 和 2.69Ghz 频段之间。


如下图左所示,我想把 GPS L1 的通路合并过来,这对天线的改变就是需要增加对 1.6Ghz 的频段,这就要求天线设计者在设计天线的时候要扩展 100Mhz,支持 1.6Ghz 和 2.69Gh 的频段,这比之前的天线设计是提高了一点难度,但也不至于太大。


“又因为这个天线本身就已经覆盖了 WiFi 的 2.4Ghz 的频段,所以如上图右所示,我们希望这个天线能够同时支持 WiFi 的 2.4Ghz,这样对我们天线设计的难度毫无增加。唯一的区别是我们需要用一个 Antenna multiplexer 把 WiFi 合进来”,张杰接着说。




接下来,我们举一个更实际的例子。下图是一个 LTE 手机方案,在其中,我们用到了六根天线。但现在,我们进入了 5G 时代,需要支持更多的频段。因为 5G 需要支持 4*4 MIMO,那就意味着每个 band 都需要四个天线。以国内为例,5G 频段用得最多的是 n78、n79 和 n41,如果需要对他们全部支持,就要求我们在设计中为这三个频段单独增加天线,那就需要各增加四个共 12 个天线。



“从前面的介绍中我们可以看到,如果想在有限的手机空间中增加那么多的天线是不可能,为此我们需要重新规划和整合这些天线”,张杰说。其大致方案如下图所示。需要提一下的是,Qorvo 在这个方案中只是用了九根天线。



从以上的设计中,我们还发现一个问题。如上图所示,上面的三个天线都支持 2.4Ghz 的频段,因为这三个天线是紧挨在一起的,这就导致我们很难做天线的隔离度。为此我们就决定用 Qorvo 的 Antenna multiplexer 把左边天线的 2.4Ghz 频段抽取出来,合到右边的天线上去,简化了天线的设计,还能帮助把中间主级的天线性能调出来。



从下面的仿真图我们可以看到,通过这样的设计,不但能改善天线的隔离度,还能把中间那根天线的效率提高。



另外,因为手机的天线越来越多,被分布在手机的各个位置,然而收发器只能固定在一个地方,那就意味着有些天线必须要面临射频走线的问题。如下图所示,在我们的初始设计中,用到了两根线。



为此张杰表示,如果用 Antenna multiplexer 把下图的 2.4Ghz、5Ghz、n77、n78 和 n79 的天线合起来,这就可以省掉一根线。“这不但省了线的成本,还节省了手机的设计空间。通过这样的设计,还进一步减少了天线的数量 ”,张杰进一步指出。



“在 5G 天线的设计中,我们会碰到越来越多的问题,例如天线之间靠得越来越近导致隔离度很难做好、天线越来越多使得留给天线设计的空间不够,就算天线都设计进去了,但很难调出好的性能。而 Qorvo 就提供相应的产品解决以上问题”,张杰补充说。


他指出,借助 Qorvo 的设计,不但能提高天线的隔离度,改善效率,还能解决天线设计的困扰,加速手机上市的时间。又因为 Qorvo 有比较好的工艺和经验,能推出市场表现较好的产品,产品在尺寸上的表现也很优越,这使得其并不会在方案上占有很多的额外空间。更重要的一点,通过减少天线的设计,Qorvo 还能帮助减少功耗,延长手机的续航时间,这在现在的“续航焦虑”的情况下,是很有价值的。



据张杰介绍,在天线这个领域,Qorvo 能提供两大类的产品,除了上文一直在谈的 Antenna multiplexer,还有如下图左所示的天线调谐器,通过这两种方案,Qorvo 能给手机设计厂商提供全方位的支持。



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