在天线空间越来越小的情况下如何适应射频复杂性？

天线复用器可解决5G手机及其他设备制造商面临的一个关键问题：在分配给天线空间越来越小的情况下，如何适应急剧增加的射频复杂性。

通过利用天线复用器，制造商能够使用更少的天线满足新5G频段、4x4 MIMO和其他新要求，同时不会对现有外形尺寸或功能产生影响。

他们将多个声波滤波器组合在一起，从而允许不同的无线电[蜂窝网、Wi-Fi、GPS、超宽带(UWB)]和更多频段共享单个天线。通过使用天线转换开关，制造商不但可以充分发挥5G的优点，还可以增加吸引消费者的创新功能。

 

 

手机制造商面临着反复挑战：手机设计趋势使得通过增加天线来满足这些需求变得越来越困难，但仍需设法支持新射频标准并满足多频共存扩容要求。

典型的4G手机已经包含4到8个天线，而5G手机将需要更多天线。这是因为手机制造商需要加大对5G和其他新兴标准（如UWB）的支持，同时继续支持4G手机中实现的所有频率和标准。与此同时，5G手机中的天线可用空间实际上正在缩小，因为制造商给手机增加了其他新功能，如附加摄像头、人脸识别和运动感测功能。

这会导致天线效率问题，因为天线效率（最大程度减少损耗的能力）与天线尺寸以及传输频率成反比。随着天线数量的增加以及天线可用空间的缩小，维持满足手机性能要求所需的天线效率和隔离变得更加困难。

图1 损耗、使用频率和天线面积之间的比例关系

 

 射频复杂性的不断增长会引起天线设计问题

随着新5G频段和要求（如4x4多路输入/多路输出(MIMO)、EUTRA双连接性(EN Dc)/双UL、mmWave）的加入和新兴标准（如UWB）的出现，5G手机的射频复杂性急剧增加。同时，5G手机还必须继续支持4G手机所有现有的和重新分配的低、中、高频段频率以及其他要求，如GPS Level 5(L5)、GPS/GNSS、2.4 GHz和5至7 GHz Wi-Fi(Wi-Fi 6E)。

新5G频段 

为实现明显更高的数据速率，5G采用新的高频、宽带蜂窝频谱。这个频谱分配在频谱的两个主要区域，均在传统蜂窝通信使用的频率范围之上。

频率范围1(FR1)

这些新的超高频段(UHB)（n77、n78、n79）采用3.3 GHz至5 GHz之间的频谱。

频率范围2(FR2)

这是第一次在商业蜂窝通信中使用mmWave频谱。RF2包含24 GHz（n257、n258、n260、n261）以上的多个频段。由于FR2频率下的信号传播具有挑战性，所以5G手机采用3到4个小型天线组成的较大阵列来提高信号强度和波束形成。

4x4 MIMO

为提高数据速率，大多数5G频段需要使用4x4 MIMO。此外，在可能的情况下，4x4 MIMO也可用于现有LTE频段。

这需要四个支持蜂窝通信的天线，比传统4G手机架构中使用的多两个，这些天线使用两个独立的蜂窝射频路径，一个为主路径，另一个为分路径。

Wi-Fi 6E和NR-U

借助Wi-Fi 6E，供Wi-Fi使用的未许可频谱不仅可以扩展至更复杂的调制应用，而且还可以达到7 GHz的上限，远远高于之前的5850 MHz上限。该频谱也可供未许可频谱(NR-U)内的5G使用。额外的1.2 GHz频谱增加了可用带宽和需要较高数据速率的用例数量。然而，为确保在其他频段运行的手机可同时使用该频谱，仍需要采用具有滤波功能且更高效的高频天线设计。

UWB

UWB是一种相对较新的技术，定位和距离感测性能出色，精确度在几厘米内。如今，这项技术被用于许多行业的不同应用，包括接近感测应用和汽车应用（如无钥匙进入和启动）。

顾名思义，UWB通过宽带宽（500 MHz或更大）传输数据。最初的手机设计采用大约6.2 GHz至8.3 GHz之间的频率。UWB本身需要3到4个天线阵列，这将占据手机内部大量可用的关键空间。

 

 增加手机内天线数量面临的挑战即使出现新的射频要求和标准，由于智能手机和设备设计的发展趋势，在保持足够的天线性能同时增加天线数量变得越来越困难。实现较高的天线性能需要足够的天线容量和间距，但不断发展的智能手机设计实际上减少了天线的可用空间，如图2所示。

图2：RF PCB和天线逐年减少

这些趋势包括：

1、金属框架和更小的边框、玻璃背面以及无边框或环绕屏幕限制了天线的可用面积。

2、增加吸引消费者的功能减少了可分配给RFFE和天线的空间。这些功能包括续航时间更长的大型电池、更多摄像头、运动感测、指纹和人脸识别。

3、新兴的折叠智能手机设计减少了天线的可用面积，因为无法将天线置于铰链区域。

4、可穿戴设备是一个迅速扩展的市场。这些超小形尺寸赋予天线的空间极其有限。

图3：5G手机的天线挑战：5G明显增加了射频复杂性，同时减少了可用的天线容量

 

 使用天线复用器解决天线设计问题制造商面临着一个艰难的架构抉择。他们可以尝试在不断缩小的区域内增加更多的天线，这有可能降低天线性能，从而影响手机的整体性能。也可以选择使用新的替代方案：天线复用器，可减少添加天线的需求，并可满足共存滤波和插入损耗要求。

天线复用器将多个RF滤波器组合在一起，以支持不同的无线电技术（蜂窝网、Wi-Fi、GPS、UWB），从而增加能够共享单个天线的频段数量。通过使用天线复用器，手机可更有效地利用现有的天线面积，同时增加对新频段的支持，且不会对现有外形尺寸或功能产生任何影响。

天线复用器可与其他RFFE技术组合，以进一步优化天线性能，补偿减少的天线尺寸。

天线调谐使用孔径和阻抗调谐功能可显著提高天线性能，该调谐功能可补偿天线尺寸的缩小，并允许单个天线覆盖多个频段。

多路复用器通过将多个频段聚合到单个天线路径中，这些多滤波模块可实现载波聚合(CA）。

图4：利用天线复用器，Wi-Fi以及蜂窝中频段和超高频段频率可共享一个天线

Qorvo天线复用器的优势天线复用器具有一系列优势，包括提高手机制造商的设计灵活性、提高空间的使用效率、降低成本。 设计灵活性      

通过使用天线复用器，智能手机制造商可以更加灵活地进行智能手机创新设计。减少天线数量意味着减少制造商的设计限制，这样就更容易添加其他功能以及探索创新型外形尺寸，如折叠手机。更少的天线还意味着手机壳内天线凹槽越少，这样就可以实现更具吸引力的手机外观，同时减少手机壳上的弱点。

优化可用天线尺寸      

通过使用天线复用器，制造商可充分利用手机可用空间：减少天线数量可增加手机功能。可优化天线性能和间距。

减少板载射频路由可降低成本更少的天线意味着减少内部线缆、连接器和弹簧需求。您可以将一条组合线路路由到单个天线，而不是将单独的线路路由到多个天线。这样就可以节省大量空间，降低成本。

图5：未使用声波天线复用器的架构展示

更少的SKU       天线复用器可提高天线架构在不同区域的重复使用率，这意味着制造商只需少量的手机型号(SKU)即可实现广泛的地理覆盖。单个天线架构可用于多个区域，而无需根据每个区域使用的频段使用不同的天线布置。减少SKU数量可显著降低生产和库存成本。  在5G智能手机中使用声波天线复用器根据每种设备的具体要求和挑战，可将声波天线复用器应用于许多不同的场景。每个天线都能够在多个谐振频率下高效运行，彼此之间为谐波关系：高频率是最低频率的倍数。使用天线复用器的最有效方法就是，将射频标准和使用这些谐振频率的频段组合在一起，从而有效地共用一个天线。

通常，基于声波滤波器的天线复用器具有最佳性能，因为它们集成了低插入损耗、多频段共存的地址OOB抑制功能，且共用天线的RF频率之间具有高隔离度。它们还支持适用于5G、Wi-Fi和UWB的超高频率。

图5（续上）使用天线复用器的架构展示

图5（续上）显示的天线复用器示例集成了4个声波滤波器，因此2.4 GHz和5 GHz Wi-Fi、L5 GPS和GNSS可共用单个天线。如性能图所示，天线转换开关可在每个信号的通带中实现低插入损耗，并可实现高信号隔离度。

图6：支持2.4 GHz和5 GHz Wi-Fi、L5 GPS和GNSS共享单个天线的天线复用器框图和性能图

总 结   

所有5G手机和其他设备制造商面临一个主要问题：随着可用天线面积继续缩小，如何适应不断增加的射频复杂性。

天线复用器提供了一个优雅的解决方案。

通过使用天线复用器，制造商可继续添加吸引消费者的创新功能（如更大容量的电池和更多摄像头），同时实现5G的所有益处。

 

 

原文标题：利用天线复用器应对 5G 天线设计挑战

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责任编辑：haq