你的手機的性能不給力？也許與天線有關(guān)

2017-02-26 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

還記得你拉出自己的第一部手機上的天線來打電話嗎?在過去的 25 年中,天線設(shè)計已經(jīng)徹底改變了手機。當我們從 2G 轉(zhuǎn)換到 3G 繼而轉(zhuǎn)到 LTE 時,我們已經(jīng)逐步降低了 10 dB 的鏈路預(yù)算。隨著網(wǎng)絡(luò)顯著改進,在消費者沒有太多反饋的情況下,我們已經(jīng)能夠降低手機天線的性能,這雖然令人震驚但確實是真實情況。

多種因素導(dǎo)致這個結(jié)果,包括消除擴展天線; 金屬支架手機殼; 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); 和投入市場時間的壓力。

因為政府機構(gòu)會對天線端口進行測試,檢測其是否具有連接器,而且載波通常在“自由空間”環(huán)境下執(zhí)行測試,所以大多數(shù)用戶沒有注意到天線性能降低。在相當優(yōu)化的條件下,美國無線通信和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會 (CTIA) 認證需要進行自由空間測試。進行動態(tài)性能測試時,采用的手握夾具與現(xiàn)實情況下“手握”不同,在測試時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 年來對于天線性能的改變開始轉(zhuǎn)向另一個方向,我們發(fā)現(xiàn)手機制造商投資了一項新技術(shù),這項技術(shù)專門針對改善總輻射功率和總靈敏度,可以為手機用戶帶來巨大的好處。

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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提高手機性能。由于大多數(shù)智能手機現(xiàn)在都應(yīng)用 LTE 的 2×2 MIMO,LTE 頻帶的設(shè)計已經(jīng)添加了第二根天線。事實上,LTE 標準允許使用第二根天線用于接收機分集或用于 MIMO,選擇對于主導(dǎo)信道條件更加有利的模式。

將這一概念進一步推進,現(xiàn)在谷歌 Pixel 和三星 Galaxy S7 等幾款手機在關(guān)鍵 LTE 頻段中使用四根天線,支持選擇四路接收機分集和 4×4 MIMO。自由空間測試手機行能時,吞吐量的增加并不明顯。現(xiàn)實生活中,用手抓住手機的金屬外殼進行通話,額外的天線可能會對吞吐量產(chǎn)生很大的影響。一些供應(yīng)商的測試記錄了吞吐量的增幅超過 60%。

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

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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的標準部分,包括 700 MHz 和 960 MHz 之間的多個頻段。如今大多數(shù)智能電話中,天線長度的改變可以作為一個開關(guān),從而將其諧振頻率從一個頻帶轉(zhuǎn)變到另一個頻帶。一些手機使用 MEMS 器件來改變諧振頻率。

手機除了頻率調(diào)諧功能外,現(xiàn)在超過 100 個智能手機型號包括阻抗匹配調(diào)諧,這個調(diào)諧功能適應(yīng)于降低手機對手機的影響。閉環(huán)阻抗匹配調(diào)諧可以恢復(fù)超過 4 dB 的輻射功率損失性能,這給手機用戶帶來好處,例如,手機電池每天能多續(xù)航一個小時;手機能夠進行更穩(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) 4 dB 手機性能極大地提高了 LTE 鏈路的穩(wěn)定性; 帶來更高的數(shù)據(jù)吞吐量,更高的信號質(zhì)量有益于上行鏈路和下行鏈路。

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

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載波聚合(CA)

許多人認為天線調(diào)諧與載波聚合不兼容,特別是在針對“低 - 低”頻帶組合或“高 - 高”頻帶組合實現(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,移動專家預(yù)測即使在“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。當許可和非許可頻帶的不斷組合時,CA 算法可能會變得相當復(fù)雜。

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接下來會如何發(fā)展呢?

行業(yè)模式已經(jīng)開始改變。十年前,手機 OEM 在認識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花費 2 美元來解決這些問題。如今,OEM 手機廠商已經(jīng)主動選擇使用調(diào)諧來解決問題。解決方案已經(jīng)被簡化和“系統(tǒng)化”,成本遠低于從前。新的手機使用分集和調(diào)諧的組合,日常使用時可以提高 4 dB,在某些情況下甚至可以提高 10 dB。

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

如果拍賣使得 600 MHz 的頻譜用于移動通信,我們預(yù)計天線性能的問題會變得更加嚴峻。同樣長的天線,工作在較低頻率時,因為工作波長長了,天線的電尺寸就變小了。這會導(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 600 MHz 頻帶進入市場需要與 700 MHz 或 850 MHz 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,能夠在動態(tài)環(huán)境下針對多個頻帶進行優(yōu)化。

關(guān)鍵在于將天線視為一個系統(tǒng),而不是一個組件。手機 OEM 廠商正在處理數(shù)十個頻帶,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)諧是一個復(fù)雜的問題。

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

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本文作者Joe Madden 是 Mobile Experts LLC 的首席分析師。 Madden 為我們的預(yù)測提供業(yè)務(wù)分析,以及從事半導(dǎo)體領(lǐng)域研究。他在移動通信領(lǐng)域工作超過了 26 年,在這段時間里,他準確預(yù)測了數(shù)字預(yù)失真,遠程無線電頭端,小小區(qū)網(wǎng)絡(luò)和移動IT市場的興起。他通過移動和有線電視運營商以及硬件供應(yīng)商驗證想法,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)濟學(xué),后來擁有 UCLA 的物理學(xué)學(xué)位。

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