干货推荐:5G带给手机天线设计的挑战

原创 电子工程世界  2020-03-04 17:13 

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。

Qorvo产品行销经理 Steve Hsieh

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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