你的手機的性能不給力？也許與天線有關

2017-02-26 by:CAE仿真在線來源:互聯網

還記得你拉出自己的第一部手機上的天線來打電話嗎?在過去的 25 年中,天線設計已經徹底改變了手機。當我們從 2G 轉換到 3G 繼而轉到 LTE 時,我們已經逐步降低了 10 dB 的鏈路預算。隨著網絡顯著改進,在消費者沒有太多反饋的情況下,我們已經能夠降低手機天線的性能,這雖然令人震驚但確實是真實情況。

多種因素導致這個結果,包括消除擴展天線; 金屬支架手機殼; 多載波天線; 載波聚合; 授權協助接入和多輸入/多輸出天線技術 (MIMO); 天線形狀因數; 和投入市場時間的壓力。

因為政府機構會對天線端口進行測試,檢測其是否具有連接器,而且載波通常在“自由空間”環境下執行測試,所以大多數用戶沒有注意到天線性能降低。在相當優化的條件下,美國無線通信和互聯網協會 (CTIA) 認證需要進行自由空間測試。進行動態性能測試時,采用的手握夾具與現實情況下“手握”不同,在測試時使用泡沫將手與夾具之間相隔開,以避免使用真正的手而出現模擬性能差的情況。

圖1:手機由外部天線轉為內部天線,天線效率有所降低

25 年來對于天線性能的改變開始轉向另一個方向,我們發現手機制造商投資了一項新技術,這項技術專門針對改善總輻射功率和總靈敏度,可以為手機用戶帶來巨大的好處。

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天線分集

除了調諧主天線之外,向終端添加分集天線可能會提高手機性能。由于大多數智能手機現在都應用 LTE 的 2×2 MIMO,LTE 頻帶的設計已經添加了第二根天線。事實上,LTE 標準允許使用第二根天線用于接收機分集或用于 MIMO,選擇對于主導信道條件更加有利的模式。

將這一概念進一步推進,現在谷歌 Pixel 和三星 Galaxy S7 等幾款手機在關鍵 LTE 頻段中使用四根天線,支持選擇四路接收機分集和 4×4 MIMO。自由空間測試手機行能時,吞吐量的增加并不明顯。現實生活中,用手抓住手機的金屬外殼進行通話,額外的天線可能會對吞吐量產生很大的影響。一些供應商的測試記錄了吞吐量的增幅超過 60%。

移動運營商開始為一些基站投資 4×4 MIMO,但并不是任何地方都具有配備 4×4 MIMO的能力。因此,我們構想智能手機的架構具有分集開關,允許 4×4 MIMO操作或四路接收機分集,旨在讓手機在任何情況下都具有最佳性能。

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調諧功能

光圈調諧在 10 年前就已經推出,并已成為任何智能手機的標準部分,包括 700 MHz 和 960 MHz 之間的多個頻段。如今大多數智能電話中,天線長度的改變可以作為一個開關,從而將其諧振頻率從一個頻帶轉變到另一個頻帶。一些手機使用 MEMS 器件來改變諧振頻率。

手機除了頻率調諧功能外,現在超過 100 個智能手機型號包括阻抗匹配調諧,這個調諧功能適應于降低手機對手機的影響。閉環阻抗匹配調諧可以恢復超過 4 dB 的輻射功率損失性能,這給手機用戶帶來好處,例如,手機電池每天能多續航一個小時;手機能夠進行更穩定的數據通話,由于 TDD 鏈路上行鏈路限制,故而使用 TRP 鏈路,恢復 4 dB 手機性能極大地提高了 LTE 鏈路的穩定性; 帶來更高的數據吞吐量,更高的信號質量有益于上行鏈路和下行鏈路。

圖2:手機與手機之間帶來的失配損耗可以通過閉環調諧消除

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載波聚合(CA)

許多人認為天線調諧與載波聚合不兼容,特別是在針對“低 - 低”頻帶組合或“高 - 高”頻帶組合實現載波聚合的情況下。然而,目前使用的閉環調諧可以適用于不同的情況,移動專家預測即使在“低 - 低”CA情況下,也可以采用阻抗匹配調諧和孔徑調諧。CA 發展的下一步是調制解調器需要做出一些選擇,決定調諧設置需要寬帶匹配還是窄帶匹配。

值得注意的是,載波聚合可以包括多個授權頻帶,也可以包括 LAA,3.5GHz 寬帶無線服務和其他頻帶。當許可和非許可頻帶的不斷組合時,CA 算法可能會變得相當復雜。

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接下來會如何發展呢?

行業模式已經開始改變。十年前,手機 OEM 在認識用戶所做的某些天線選擇方面的性能較差,但他們不愿意每部手機花費 2 美元來解決這些問題。如今,OEM 手機廠商已經主動選擇使用調諧來解決問題。解決方案已經被簡化和“系統化”,成本遠低于從前。新的手機使用分集和調諧的組合,日常使用時可以提高 4 dB,在某些情況下甚至可以提高 10 dB。

圖3:系統閉環設計也可適應于改善寬帶性能

如果拍賣使得 600 MHz 的頻譜用于移動通信,我們預計天線性能的問題會變得更加嚴峻。同樣長的天線,工作在較低頻率時,因為工作波長長了,天線的電尺寸就變小了。這會導致天線效率較差,迫使系統工程師使用更窄的諧振天線來減少電損耗。

由于 600 MHz 頻帶進入市場需要與 700 MHz 或 850 MHz 頻帶載波聚合,因此我們需要使用更復雜“系統化”調諧器,能夠在動態環境下針對多個頻帶進行優化。

關鍵在于將天線視為一個系統,而不是一個組件。手機 OEM 廠商正在處理數十個頻帶,其產品旨在將無數的頻率組合。找到更加智能的天線調諧是一個復雜的問題。

實施高級閉環天線算法的調制解調器供應商將能夠從給手機帶來更多的性能。這雖然不是一個技術細節,但能夠帶來一個主要的影響:閉環調諧可以有效地使手機的性能加倍。這對于任何手機用戶來說,都將帶來更長的電池壽命和更高的數據速度。

本文作者Joe Madden 是 Mobile Experts LLC 的首席分析師。 Madden 為我們的預測提供業務分析,以及從事半導體領域研究。他在移動通信領域工作超過了 26 年,在這段時間里,他準確預測了數字預失真,遠程無線電頭端,小小區網絡和移動IT市場的興起。他通過移動和有線電視運營商以及硬件供應商驗證想法,將業務模式與技術之間相匹配。盡管開始他在 Stanford 學習經濟學,后來擁有 UCLA 的物理學學位。

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