移动5G天线(5g移动终端天线设计)

正如我们之前所说，汹涌澎湃的5G浪潮将给射频前端带来重大挑战。前面也讲了很多功放和滤波器遇到的问题以及应对措施，但其实手机的天线在5G到来后会面临前所未有的挑战。
Qorvo产品营销经理Steve Hsieh
在日前于中国台湾省举办的“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公司的产品营销经理Steve Hsieh带来了5G时代手机天线设计的一些思考。现分享如下，以飨读者。
5G频段在全球主要地区的应用现状在谈到具体的挑战之前，Steve Hsieh先给我们讲了5G时代的频谱分布：首先我们可以看一下全球主要城市和地区在亚6Ghz频谱下的频谱分布。比如中国侧重n78和n79，欧盟是n78，韩国是n78。美国一开始会以毫米波为主，亚6G的布局会在后面。麻烦的是日本的频段。他们的第一个是3.6Ghz到4.1Ghz的n77频段，和其他家不一样。如果你的手机需要覆盖这个频率，天线设计就不容易了。
Steve进一步分析，如下图，韩国的频谱确定，运营商基本在3.4 GHz-3.7 GHz之间的LG，KT，SKT实现，美国以48频段为主。说到国内，中国电信和中国联通主要集中在3.4Ghz到3.6Ghz的频段，中国移动集中在4.8Ghz到4.9Ghz的频段，中国移动还有另外一个频段——n41。
史蒂夫还强调说，在日本方面，他们的n77与其他国家的略有不同，包括NTT、KDDI、RAKU、SB和KDDI在内的运营商也专注于3.6Ghz至4.1Ghz的频段。此外，NTT有n79频段(4.5Ghz至4.6Ghz)，所以如果你想在一台设备上同时支持中文和日文频段，日本的一些运营商要求所有设备必须在年底前同时支持n77和n79频段。那么这将意味着它将会给天线带来巨大的挑战。前面我们讲过Sub-6G的频段。下面我们来看看b41的频段。史蒂夫指出，按照规定，b41原本讲的是2496Mhz和2690Mhz的频段，而中国大陆原本的频谱分配是中国移动占用2575Mhz到2635mhz，中国联通占用2555Mhz到2575Mhz，中国电信占用2635Mhz到2655Mhz。但是现在中国电信和中国联通都把这两个频段给了中国移动。交换完成后，中国移动现在拥有2515Mhz至2675Mhz总带宽为160Mhz的频段。几乎控制了整个b 41频段。作为交换，中国移动把n78频段给了中国联通和中国电信。
从上图也可以看出，如果想支持美国以外国家的频段，只需要选择支持b41的160Mhz滤波器即可。但如果你还需要同时支持美国，尤其是Sprint。因为后者的b41的频率范围是2496Mhz到2690Mhz，带宽为194Mhz，工程师在设计天线时需要考虑更多。
5G给天线设计带来的挑战在对全球频谱分布有了基本了解之后，Steve就5G给天线设计带来的挑战给我们做了一些思考。史蒂夫说，回头看看过去几年天线从2G到5G的发展趋势。如下图所示，2G时代，每个手持设备可能只需要2根天线；随着GPRS和WIFI的加入，3G必然会增加天线数量；从4G到现在的5G，MIMO逐渐增多，频段越来越多，导致天线增多。
史蒂夫指出，在6Ghz以下，需要8到10个天线，但在毫米波时代，手机天线的数量将增加到10到12个甚至更多。但要知道，在天线数量不断增加的同时，留给天线的空间却越来越小，这主要是手机的发展和设计趋势造成的。“现在几乎所有的手机都在往全面屏设计方向走，手机上安装的摄像头也越来越多。再加上摄像头升降等设计的存在，所有这些都会挤压天线的空间，”史蒂夫说。
此外，由于B71、GPS L5、n77n79(下图左下方彩色部分)等新频段的引入，以及需要支持4*4 MIMO、载波聚合、802.11.ad、毫米波，加之上述手机留给天线的空间减少，加剧了天线设计的难度。史蒂夫强调道。
在史蒂夫看来，当遇到这些问题时，它需要像孔径调谐、不可感知性匹配和更小的天线解决方案和低损耗调谐器这样的解决方案来解决它们。
根据Steve Hsieh的说法，天线组合将在整个过程中发挥重要作用。
先来看看4G时代的天线设计；根据Steve Hsieh的说法，天线组合将不可避免地导致天线性能的损失。所以根据重要程度，他们首先决定——主天线的Tx不要和任何天线合并，因为他们希望这个天线的性能保持在最佳状态，这也是Qorvo建议主天线放在优先级0的原因。“同时，我们认为UHB Tx也需要高性能。所以我们建议在开发时就要独立，不要做任何天线组合。这是Qorvo给大家的建议，Steve Hsieh强调。
图1
在Steve Hsieh看来，Rx和UHB Rx包括GPS L1、WIFI主天线、主天线都可以组合，这是优先级1。至于GPS L5天线内部的天线(如上图优先级3所示)，相对不重要，可以根据自己的需求进行相关判断。Steve Hsieh说：“在你心中完成相关的天线排序后，你就可以根据你的方案的性能要求进行相关的设计”。从他的介绍中我们知道，现在市场上最常见的做法是先把“GPS L1和2.4G/5G天线做在一起”，这也是目前几乎所有手机天线流行的做法。“GPS L5、LTE MIMO和UHB MIMO可能会协同工作，但这取决于设备所在的频段，”Steve Hsieh指出。“甚至有人会把WIFI、LTE MIMO、UHB MIMO放在一起，这主要和WIFI所在的频段有关”，Steve Hsieh强调。
图2
从上图可以看出，经过这样的合并，我们可以用8根天线实现原本需要12根天线的设计，节省了内部空间，增加了设计的灵活性，同时也节省了成本。我们还可以使用其他天线组合方法，例如将GPS L1和LTE MIMO天线制作在一起，也可以达到同样的效果。三星这样做了。
图3
Steve Hsieh表示，上图是传统的4G天线设计配置，可以看到5G增加的天线频段在右边。如何将其整合到传统的4G手机中是一个很大的挑战。Steve Hsieh还强调，虽然天线可以组合，但无疑会带来天线的性能损失。为了在5G时代保持设备应用性能的提升，他建议在天线组合时要多加考虑。从上面我们知道，4G设备至少需要6根天线。但是，如果我们进入5G NR时代，如图3所示，如果没有天线组合，我们总共至少需要另外13个天线。这个数额是惊人的。为了解释我们在5G时代的天线组合思路，Steve Hsieh以中国规划的n78、n79、n41频段为例，描述了5G天线的组合方式。按照上面的说法，我们会保持LB/MB/HB独立，不会合并n78和n79的发射机。
图4
前面我们提到有人把GPS L1和2.4G/5G WIFI的天线组合在一起，但是现在又出现了把L5再组合起来的趋势，也就是“GPS L1 GPS L5 2.4G/5G WIFI”，也就是说会少一根天线。另外，我们可以把n78和MB/HB的天线做在一起，如图4右下角所示。或者，如图4右上角所示，我们可以把n78、n79和MB/HB做在一起，这似乎是可行的。再加上前面提到的GPS L1 GPS L5 2.4G/5G WIFI，以及上面的安排，可以看出最终得到的是总共只有9根天线的设计。史蒂夫谢(Steve Hsieh)指出，虽然上述设计原则上是有道理的。但如上图所示，这会给天线独立性、PCB空间、天线效率、带宽带来挑战。因此，需要天线共用器、孔径调谐器和脉冲调谐器来帮助解决这个问题。
图5
“这里可以看到手机上方有三根HB频率的天线，所以会有一个潜在的HB天线隔离问题。如果天线隔离度不好，天线效率会变差。如何用天线复用器解决这个问题？因为我的MB/HB已经覆盖了2.4G，不如我们把L1 L5的2.4G 2.4G 5G”移到右边，如图5。这时候解决了天线独立性、效率、组合的问题，是一个很好的解决方案。图6从某手机厂商的设计可以看出，天线隔离度提高后，天线效率也提高了。
图6
Steve Hsieh继续用另一个例子来说明天线组合的好处。如图7所示，这也是一种9天线设计。我们将收发器放在右下角，n78/n79放在左边。假设MB HB天线在左上角，我们将走一根电缆穿过电路板。同时，假设n78 n79也需要走线，那么我们就需要两根线，而且两根线和弹片都很占空间。
图7
如果是这样的话，我们组合天线会得到什么效果？如图8所示，如果我们把2.4G和n78/n79都组合成MB HB，就少用了一根线，同时也带来了成本和空间的节省(如图8右侧)，这也是我们一直提倡天线组合的原因。
图8
在天线组合过程中，天线共用器起着重要的作用。它具有提高天线效率、减少天线调谐、节省成本和空间等优点。详情见图9。
图9
此外，天线调谐器还将在传输信号和确保天线效率的过程中发挥重要作用。Qorvo的工作就是让调音器的损耗尽可能小，让你用起来方便。希望这些建议能帮到你。