利用天线复用器应对 5G 天线设计挑战

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天线复用器可解决5G手机及其他设备制造商面临的一个关键问题:在分配给天线空间越来越小的情况下,如何适应急剧增加的射频复杂性。

通过利用天线复用器,制造商能够使用更少的天线满足新5G频段、4x4 MIMO和其他新要求,同时不会对现有外形尺寸或功能产生影响。

他们将多个声波滤波器组合在一起,从而允许不同的无线电[蜂窝网、Wi-Fi、GPS、超宽带(UWB)]和更多频段共享单个天线。通过使用天线转换开关,制造商不但可以充分发挥5G的优点,还可以增加吸引消费者的创新功能。

手机制造商面临着反复挑战:手机设计趋势使得通过增加天线来满足这些需求变得越来越困难,但仍需设法支持新射频标准并满足多频共存扩容要求。

典型的4G手机已经包含4到8个天线,而5G手机将需要更多天线。这是因为手机制造商需要加大对5G和其他新兴标准(如UWB)的支持,同时继续支持4G手机中实现的所有频率和标准。与此同时,5G手机中的天线可用空间实际上正在缩小,因为制造商给手机增加了其他新功能,如附加摄像头、人脸识别和运动感测功能。

这会导致天线效率问题,因为天线效率(最大程度减少损耗的能力)与天线尺寸以及传输频率成反比。随着天线数量的增加以及天线可用空间的缩小,维持满足手机性能要求所需的天线效率和隔离变得更加困难。

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图1 损耗、使用频率和天线面积之间的比例关系

射频复杂性的不断增长会引起天线设计问题

随着新5G频段和要求(如4x4多路输入/多路输出(MIMO)、EUTRA双连接性(EN Dc)/双UL、mmWave)的加入和新兴标准(如UWB)的出现,5G手机的射频复杂性急剧增加。同时,5G手机还必须继续支持4G手机所有现有的和重新分配的低、中、高频段频率以及其他要求,如GPS Level 5(L5)、GPS/GNSS、2.4 GHz和5至7 GHz Wi-Fi(Wi-Fi 6E)。

新5G频段

为实现明显更高的数据速率,5G采用新的高频、宽带蜂窝频谱。这个频谱分配在频谱的两个主要区域,均在传统蜂窝通信使用的频率范围之上。

频率范围1(FR1)

这些新的超高频段(UHB)(n77、n78、n79)采用3.3 GHz至5 GHz之间的频谱。

频率范围2(FR2)

这是第一次在商业蜂窝通信中使用mmWave频谱。RF2包含24 GHz(n257、n258、n260、n261)以上的多个频段。由于FR2频率下的信号传播具有挑战性,所以5G手机采用3到4个小型天线组成的较大阵列来提高信号强度和波束形成。

4x4 MIMO

为提高数据速率,大多数5G频段需要使用4x4 MIMO。此外,在可能的情况下,4x4 MIMO也可用于现有LTE频段。

这需要四个支持蜂窝通信的天线,比传统4G手机架构中使用的多两个,这些天线使用两个独立的蜂窝射频路径,一个为主路径,另一个为分路径。

Wi-Fi 6E和NR-U

借助Wi-Fi 6E,供Wi-Fi使用的未许可频谱不仅可以扩展至更复杂的调制应用,而且还可以达到7 GHz的上限,远远高于之前的5850 MHz上限。该频谱也可供未许可频谱(NR-U)内的5G使用。额外的1.2 GHz频谱增加了可用带宽和需要较高数据速率的用例数量。然而,为确保在其他频段运行的手机可同时使用该频谱,仍需要采用具有滤波功能且更高效的高频天线设计。

UWB

UWB是一种相对较新的技术,定位和距离感测性能出色,精确度在几厘米内。如今,这项技术被用于许多行业的不同应用,包括接近感测应用和汽车应用(如无钥匙进入和启动)。

顾名思义,UWB通过宽带宽(500 MHz或更大)传输数据。最初的手机设计采用大约6.2 GHz至8.3 GHz之间的频率。UWB本身需要3到4个天线阵列,这将占据手机内部大量可用的关键空间。

增加手机内天线数量面临的挑战

即使出现新的射频要求和标准,由于智能手机和设备设计的发展趋势,在保持足够的天线性能同时增加天线数量变得越来越困难。实现较高的天线性能需要足够的天线容量和间距,但不断发展的智能手机设计实际上减少了天线的可用空间,如图2所示。

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图2:RF PCB和天线逐年减少

这些趋势包括:

1、金属框架和更小的边框、玻璃背面以及无边框或环绕屏幕限制了天线的可用面积。

2、增加吸引消费者的功能减少了可分配给RFFE和天线的空间。这些功能包括续航时间更长的大型电池、更多摄像头、运动感测、指纹和人脸识别。

3、新兴的折叠智能手机设计减少了天线的可用面积,因为无法将天线置于铰链区域。

4、可穿戴设备是一个迅速扩展的市场。这些超小形尺寸赋予天线的空间极其有限。

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图3:5G手机的天线挑战:5G明显增加了射频复杂性,同时减少了可用的天线容量

使用天线复用器解决天线设计问题

制造商面临着一个艰难的架构抉择。他们可以尝试在不断缩小的区域内增加更多的天线,这有可能降低天线性能,从而影响手机的整体性能。也可以选择使用新的替代方案:天线复用器,可减少添加天线的需求,并可满足共存滤波和插入损耗要求。

  天线复用器将多个RF滤波器组合在一起,以支持不同的无线电技术(蜂窝网、Wi-Fi、GPS、UWB),从而增加能够共享单个天线的频段数量。通过使用天线复用器,手机可更有效地利用现有的天线面积,同时增加对新频段的支持,且不会对现有外形尺寸或功能产生任何影响。

  天线复用器可与其他RFFE技术组合,以进一步优化天线性能,补偿减少的天线尺寸。

  天线调谐使用孔径和阻抗调谐功能可显著提高天线性能,该调谐功能可补偿天线尺寸的缩小,并允许单个天线覆盖多个频段。

  多路复用器通过将多个频段聚合到单个天线路径中,这些多滤波模块可实现载波聚合(CA)。

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图4:利用天线复用器,Wi-Fi以及蜂窝中频段和超高频段频率可共享一个天线

Qorvo天线复用器的优势

天线复用器具有一系列优势,包括提高手机制造商的设计灵活性、提高空间的使用效率、降低成本。

 设计灵活性

通过使用天线复用器,智能手机制造商可以更加灵活地进行智能手机创新设计。减少天线数量意味着减少制造商的设计限制,这样就更容易添加其他功能以及探索创新型外形尺寸,如折叠手机。更少的天线还意味着手机壳内天线凹槽越少,这样就可以实现更具吸引力的手机外观,同时减少手机壳上的弱点。

 优化可用天线尺寸

通过使用天线复用器,制造商可充分利用手机可用空间:减少天线数量可增加手机功能。可优化天线性能和间距。

减少板载射频路由可降低成本

更少的天线意味着减少内部线缆、连接器和弹簧需求。您可以将一条组合线路路由到单个天线,而不是将单独的线路路由到多个天线。这样就可以节省大量空间,降低成本。

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图5:未使用声波天线复用器的架构展示

 更少的SKU

天线复用器可提高天线架构在不同区域的重复使用率,这意味着制造商只需少量的手机型号(SKU)即可实现广泛的地理覆盖。单个天线架构可用于多个区域,而无需根据每个区域使用的频段使用不同的天线布置。减少SKU数量可显著降低生产和库存成本。

在5G智能手机中使用声波天线复用器

根据每种设备的具体要求和挑战,可将声波天线复用器应用于许多不同的场景。每个天线都能够在多个谐振频率下高效运行,彼此之间为谐波关系:高频率是最低频率的倍数。使用天线复用器的最有效方法就是,将射频标准和使用这些谐振频率的频段组合在一起,从而有效地共用一个天线。

通常,基于声波滤波器的天线复用器具有最佳性能,因为它们集成了低插入损耗、多频段共存的地址OOB抑制功能,且共用天线的RF频率之间具有高隔离度。它们还支持适用于5G、Wi-Fi和UWB的超高频率。

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图5(续上)使用天线复用器的架构展示

图5(续上)显示的天线复用器示例集成了4个声波滤波器,因此2.4 GHz和5 GHz Wi-Fi、L5 GPS和GNSS可共用单个天线。如性能图所示,天线转换开关可在每个信号的通带中实现低插入损耗,并可实现高信号隔离度。

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图6:支持2.4 GHz和5 GHz Wi-Fi、L5 GPS和GNSS共享单个天线的天线复用器框图和性能图

总 结

所有5G手机和其他设备制造商面临一个主要问题:随着可用天线面积继续缩小,如何适应不断增加的射频复杂性。

天线复用器提供了一个优雅的解决方案。

通过使用天线复用器,制造商可继续添加吸引消费者的创新功能(如更大容量的电池和更多摄像头),同时实现5G的所有益处。

来源: Qorvo半导体公众号

 

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