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【世说设计】5G带给手机天线设计的挑战(下)

2019-08-09
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日前,我们做了一个题为《5G带给手机天线设计的挑战(上)》的分享。在文章里,Qorvo的产品行销经理Steve Hsieh为我们讲述了5G带给手机天线设计的潜在挑战。今天,我们来详细介绍一下,Qorvo是如何帮助解决这个问题的。按照Steve Hsieh的说法,天线合并将会在整个过程中扮演重要角色。

Qorvo产品行销经理Steve Hsieh

首先我们看一下4G时代的天线设计;据Steve Hsieh介绍,要做天线合并,就必然会造成天线性能的损耗。因此他们根据重要的程度的不同,首先决定——主天线的Tx不与任何天线合并,因为他们希望这根天线的性能保持在最好的状态,这也是为什么Qorvo建议把主天线放在Priority 0的原因。“我们同时认为UHB Tx也需要很高的性能,为此在开发的时候我们建议将其独立出来,也不要做任何的天线合并,这是Qorvo给大家的建议,Steve Hsieh强调。


【图1】


在Steve Hsieh看来,包括GPS L1、WIFI主天线、主天线的Rx和UHB Rx都是可以做天线合并的,这就是Priority 1。至于GPS L5等天线(如上图Priority 3)里面的天线,就相对没那么重要,可以根据需要做相关判断。


“在你心目中做了相关的天线排序之后,你就可以按照你方案的性能要求做相关的设计”,Steve Hsieh说。从他的介绍我们得知,现在市场上最普遍的做法是首先将“GPS L1和2.4G/5G天线做到一起”,这也是当前几乎所有手机天线的流行做法。“而GPS L5、LTE MIMO与UHB MIMO也许能做到一起,但这与设备所处的频段有关”,Steve Hsieh指出。“甚至有些人会把WIFI、LTE MIMO和UHB MIMO做在一起,这主要与WIFI所处的波段有关”,Steve Hsieh强调。


【图2】


从上图我们可以看出,经过了这样的合并,我们可以把原本需要12根天线的设计,用8根天线来实现,这就节省了内部空间,增加了设计的灵活性,同时还节省了成本。我们还可以用其他的天线合并方式,例如把GPS L1和LTE MIMO天线做在一起,这就可以获得同样的结果,三星就是这样做的。


【图3】


Steve Hsieh表示,上图是传统的4G天线设计配置,可以看到右边是5G所增加的天线频段,要如何整合到传统4G手机中是一个很大的挑战。


Steve Hsieh也强调,虽然天线可以做合并,但这无疑会带来天线的性能损耗的,为了让设备在5G时代保持应用的性能提升,他建议在天线合并的时候要多加考虑。


由上所述我们得知,4G设备最少需要六支天线的,但如果进入到5G NR时代,如图3所示,如果没有做任何的天线合并,那就至少另外再需13支共19支天线。这样的数量是惊人的。


为了给大家说明我们在5G时代的天线合并设想,Steve Hsieh以国内规划的n78、n79和n41波段为例,讲述了5G天线的合并方式。按照上面的说法,我们会保持LB/MB/HB独立,n78和n79的发射端我们也不会被合并。


【图4】


在前面,我们提到,有人把GPS L1与2.4G/5G WIFI的天线合并,但现在有一种趋势是再把L5合并到一起,那就是“GPS L1+GPS L5+2.4G/5G WIFI”,那就意味着会再少一根天线。另外,我们还可以把n78和MB/HB的天线做到一起,如图4右下角所示。或者,我们如图4右上角所示,把n78、n79和MB/HB做到一起,这样好像也是可行的。再加上前面提到的GPS L1+GPS L5+2.4G/5G WIFI做到一起,还有上图的各种安排,可以看到最后得出了一个总共只有9根天线的设计。


Steve Hsieh指出,虽然上面的设计从原理上看是说得通的。但如上图所示,这将给天线的独立性、PCB空间和天线效率和带宽带来挑战。这就需要Antenna-plexer、Aperture Tuner和Impedance Tuner来协助解决。


【图5】


“这里可以看到手机上方有三支包含了HB频率的天线,这样就会有HB天线隔离度的潜在问题,天线隔离度不好的话天线效率就会变差,该如何用Antenna-plexer来解决这个问题呢?因为我的MB/HB已经cover了2.4G,我们何不把L1+ L5+2.4G+5G ”中的2.4G移到右边,如图5所示。这个时候就解决了天线的独立、效率和合并问题,是个不错的解决方式。从图6某个手机厂商的设计,我们可以看到改善天线隔离度以后天线效率也随之改善。


【图6】


Steve Hsieh继续以另一个例子来说明天线合并的好处。


如图7所示,这也是一个9天线的设计,我们把其中的transceiver放在了右下角,而把n78/n79放在了左边。假设MB+HB天线在左上角,我们就会跨板走一个cable过来。同时假設n78+n79也是需要走cable,这时候我们就需要两根cable,而cable跟弹片都是非常占空间的。

 

【图7】


如果在这种情形下,我们做天线合并会得到什么样的效果。


如图8所示,我们如果把2.4G和n78/n79都合并到MB+HB那里,我们就少用了一根cable,同时还带来了成本和空间的节省(如图8的右边所示),这就是我们一直推崇天线合并的原因。


【图8】


在天线合并的过程中,Antenna-Plexer发挥着重要的作用。当中包括了增加天线效率、更少的天线tuning与更少的成本和空间等优势,具体可以看图9。


【图9】


另外,Antenna-tuner也会在天线传输信号、保证天线效率过程中扮演重要的角色。Qorvo的工作就是让tuner 的损耗越小越好,让你们能够方便使用。


希望这些建议能够给大家带来帮助。


【往期阅读】


原文转自Qorvo半导体


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