5G带给手机天线设计的挑战(上)

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正如我们之前所说,汹涌而至的5G大潮将会给射频前端带来了重要的挑战,我们也在早前也谈了很多关于功率放大器和滤波器方面的碰到的问题和应对之策,但其实手机的天线,在5G到来之后,也会面临前所未有的考验
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日前在中国台湾举办的“2019 IATE 5G/B5G夏季技术论坛”上,全球领先的射频解决方案提供商Qorvo公司的产品行销经理Steve Hsieh带来了关于5G时代手机天线设计的一些思考,现在我们分享如下,以飨读者。
 
                               全球主要地区的5G频段应用现状
 
在谈具体的挑战之前,Steve Hsieh先给我们科普了5G时代的频谱分布:
 
首先我们可以看一下在Sub-6Ghz频谱下,全球主要城市和地区的频谱分布。例如中国很聚焦在n78和n79,EU是n78,韩国也是n78。美国则一开始会关注在毫米波,到后面才会有Sub-6G的布局。
 
比较麻烦的是日本的频段,他们首先之一的是3.6Ghz到4.1Ghz的n77频段,这跟其他家不一样,如果你手机需要去覆盖这个频率,那么天线的设计会显得不太容易。
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Steve进一步分析,如下图所示,韩国的频谱比较确定,在3.4Ghz到3.7Ghz之间,运营商也基本落实在LG、KT和SKT。美国则聚焦在band 48的部分,来到中国方面,中国电信和中国联通则主要聚焦在3.4Ghz到3.6Ghz的频段,而中国移动则聚焦在4.8Ghz到4.9Ghz的频段,中国移动同时还有另外一个频段——n41。
 
 
 
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Steve还特别强调了在日本这边,他们的n77与其他国家的有点不一样,包括NTT、KDDI、RAKU、SB和KDDI在内的运营商也都聚焦在3.6Ghz到4.1Ghz的频段。另外,NTT还有个n79频段(4.5Ghz到4.6Ghz),因此如果你要在一个设备上同时支持中国和日本的频段,同时加上日本的一些运营商要求到年底前,所有设备都必须同时支持n77和n79频段。那么这将就意味着会给天线带来非常大的挑战。
 
前面谈的是Sub-6G的频段,下面我们来看看b41的频段。
 
Steve指出,根据规定,本来b41谈的是2496Mhz和2690Mhz的频段,而中国大陆本来的频谱分布是中国移动占据2575Mhz到2635mhz,中国联通则占有2555Mhz到2575Mhz频段,中国电信则是2635Mhz到2655Mhz的频段。但现在中国电信和中国联通都把这两个频段给了中国移动,在交换完成了之后,现在的中国移动拥有了2515Mhz到2675Mhz共160Mhz带宽的频段。几乎掌控了整个b 41的频段。
 
作为交换,中国移动则把n78频段给了中国联通和中国电信。
 
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从上图你也可以看到,如果你想支持除了美国以外的国家的频段,你只需要选择一个160Mhz、支持b41的滤波器就行了。但是如果你还需要同时支持美国,尤其是Sprint。因为后者的b41的频率范围为2496Mhz到2690Mhz的194Mhz的带宽,这就需要工程师在设计天线的时候多加考虑了。
 
                         5G带给天线设计的挑战
 
在对全球的频谱分布有了基本的了解以后,Steve给我们做了5G给天线设计带来的挑战思考。
 
Steve表示,回顾一下过去几年从2G到5G的天线的发展趋势。如下图所示,在2G时代,每个手持设备可能只需要2个天线就够了;到3G因为有GPRS和WIFI等的加入,这就必然增加了天线的数量;而从4G开始到现在的5G,MIMO逐渐增加,频段也越来越多,这就带来天线的增加。
 
 
 
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Steve指出,在Sub-6Ghz的时候,需要8到10个天线,但到了毫米波时代,手机天线会增加到10到12根甚至更多。但我们应该了解到,在天线数量增加的同时,留给天线的空间却越来越小,这主要由手机的发展和设计趋势所导致的。
 
“现在,手机几乎都往全面屏设计这个方向走,安装在手机上的摄像头也越来越多,再加上类似摄像头升降这样设计的存在,以上都会挤压天线的空间”,Steve说。
 
另外,因为B71、GPS L5和 n77&n79等新频段(下图左下方的彩色部分)的引入,再加上需要对4*4 MIMO、载波聚合、802.11.ad和毫米波的支持,这与上面的手机留给天线的空间减少合在一起,加剧了天线的设计难度。Steve强调。
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在Steve看来,碰到这些问题,那就需要类似Aperture Tuning、Impedance Matching和更小的天线解决方案和低损耗的Tuner来解决。
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本文我们只是谈了5G给天线带来的挑战。在下一篇文章,我们将详细介绍Qorvo面向5G手机的天线解决方案,敬请各位期待!
 
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