你的手机的性能不给力？也许与天线有关

2017-02-26 by:CAE仿真在线来源:互联网

还记得你拉出自己的第一部手机上的天线来打电话吗?在过去的 25 年中,天线设计已经彻底改变了手机。当我们从 2G 转换到 3G 继而转到 LTE 时,我们已经逐步降低了 10 dB 的链路预算。随着网络显著改进,在消费者没有太多反馈的情况下,我们已经能够降低手机天线的性能,这虽然令人震惊但确实是真实情况。

多种因素导致这个结果,包括消除扩展天线; 金属支架手机壳; 多载波天线; 载波聚合; 授权协助接入和多输入/多输出天线技术 (MIMO); 天线形状因数; 和投入市场时间的压力。

因为政府机构会对天线端口进行测试,检测其是否具有连接器,而且载波通常在“自由空间”环境下执行测试,所以大多数用户没有注意到天线性能降低。在相当优化的条件下,美国无线通信和互联网协会 (CTIA) 认证需要进行自由空间测试。进行动态性能测试时,采用的手握夹具与现实情况下“手握”不同,在测试时使用泡沫将手与夹具之间相隔开,以避免使用真正的手而出现模拟性能差的情况。

图1:手机由外部天线转为内部天线,天线效率有所降低

25 年来对于天线性能的改变开始转向另一个方向,我们发现手机制造商投资了一项新技术,这项技术专门针对改善总辐射功率和总灵敏度,可以为手机用户带来巨大的好处。

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天线分集

除了调谐主天线之外,向终端添加分集天线可能会提高手机性能。由于大多数智能手机现在都应用 LTE 的 2×2 MIMO,LTE 频带的设计已经添加了第二根天线。事实上,LTE 标准允许使用第二根天线用于接收机分集或用于 MIMO,选择对于主导信道条件更加有利的模式。

将这一概念进一步推进,现在谷歌 Pixel 和三星 Galaxy S7 等几款手机在关键 LTE 频段中使用四根天线,支持选择四路接收机分集和 4×4 MIMO。自由空间测试手机行能时,吞吐量的增加并不明显。现实生活中,用手抓住手机的金属外壳进行通话,额外的天线可能会对吞吐量产生很大的影响。一些供应商的测试记录了吞吐量的增幅超过 60%。

移动运营商开始为一些基站投资 4×4 MIMO,但并不是任何地方都具有配备 4×4 MIMO的能力。因此,我们构想智能手机的架构具有分集开关,允许 4×4 MIMO操作或四路接收机分集,旨在让手机在任何情况下都具有最佳性能。

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调谐功能

光圈调谐在 10 年前就已经推出,并已成为任何智能手机的标准部分,包括 700 MHz 和 960 MHz 之间的多个频段。如今大多数智能电话中,天线长度的改变可以作为一个开关,从而将其谐振频率从一个频带转变到另一个频带。一些手机使用 MEMS 器件来改变谐振频率。

手机除了频率调谐功能外,现在超过 100 个智能手机型号包括阻抗匹配调谐,这个调谐功能适应于降低手机对手机的影响。闭环阻抗匹配调谐可以恢复超过 4 dB 的辐射功率损失性能,这给手机用户带来好处,例如,手机电池每天能多续航一个小时;手机能够进行更稳定的数据通话,由于 TDD 链路上行链路限制,故而使用 TRP 链路,恢复 4 dB 手机性能极大地提高了 LTE 链路的稳定性; 带来更高的数据吞吐量,更高的信号质量有益于上行链路和下行链路。

图2:手机与手机之间带来的失配损耗可以通过闭环调谐消除

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载波聚合(CA)

许多人认为天线调谐与载波聚合不兼容,特别是在针对“低 - 低”频带组合或“高 - 高”频带组合实现载波聚合的情况下。然而,目前使用的闭环调谐可以适用于不同的情况,移动专家预测即使在“低 - 低”CA情况下,也可以采用阻抗匹配调谐和孔径调谐。CA 发展的下一步是调制解调器需要做出一些选择,决定调谐设置需要宽带匹配还是窄带匹配。

值得注意的是,载波聚合可以包括多个授权频带,也可以包括 LAA,3.5GHz 宽带无线服务和其他频带。当许可和非许可频带的不断组合时,CA 算法可能会变得相当复杂。

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接下来会如何发展呢?

行业模式已经开始改变。十年前,手机 OEM 在认识用户所做的某些天线选择方面的性能较差,但他们不愿意每部手机花费 2 美元来解决这些问题。如今,OEM 手机厂商已经主动选择使用调谐来解决问题。解决方案已经被简化和“系统化”,成本远低于从前。新的手机使用分集和调谐的组合,日常使用时可以提高 4 dB,在某些情况下甚至可以提高 10 dB。

图3:系统闭环设计也可适应于改善宽带性能

如果拍卖使得 600 MHz 的频谱用于移动通信,我们预计天线性能的问题会变得更加严峻。同样长的天线,工作在较低频率时,因为工作波长长了,天线的电尺寸就变小了。这会导致天线效率较差,迫使系统工程师使用更窄的谐振天线来减少电损耗。

由于 600 MHz 频带进入市场需要与 700 MHz 或 850 MHz 频带载波聚合,因此我们需要使用更复杂“系统化”调谐器,能够在动态环境下针对多个频带进行优化。

关键在于将天线视为一个系统,而不是一个组件。手机 OEM 厂商正在处理数十个频带,其产品旨在将无数的频率组合。找到更加智能的天线调谐是一个复杂的问题。

实施高级闭环天线算法的调制解调器供应商将能够从给手机带来更多的性能。这虽然不是一个技术细节,但能够带来一个主要的影响:闭环调谐可以有效地使手机的性能加倍。这对于任何手机用户来说,都将带来更长的电池寿命和更高的数据速度。

本文作者Joe Madden 是 Mobile Experts LLC 的首席分析师。 Madden 为我们的预测提供业务分析,以及从事半导体领域研究。他在移动通信领域工作超过了 26 年,在这段时间里,他准确预测了数字预失真,远程无线电头端,小小区网络和移动IT市场的兴起。他通过移动和有线电视运营商以及硬件供应商验证想法,将业务模式与技术之间相匹配。尽管开始他在 Stanford 学习经济学,后来拥有 UCLA 的物理学学位。

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