精準(zhǔn)的天線調(diào)諧可以幫助智能手機利用新技術(shù)和新的頻譜資源。

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(shè)計已經(jīng)徹底改變了手機。當(dāng)我們從2G轉(zhuǎn)換到3G繼而轉(zhuǎn)到LTE時，我們已經(jīng)逐步降低了10dB的鏈路預(yù)算。

隨著網(wǎng)絡(luò)顯著改進(jìn)，在消費者沒有太多反饋的情況下，我們已經(jīng)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(dǎo)致這個結(jié)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(quán)協(xié)助接入和多輸入/多輸出天線技術(shù) (MIMO)、天線形狀因數(shù)、投入市場時間的壓力。

因為政府機構(gòu)會對天線端口進(jìn)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(huán)境下執(zhí)行測試，所以大多數(shù)用戶沒有注意到天線性能降低。

在相當(dāng)優(yōu)化的條件下，美國無線通信和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會(CTIA)認(rèn)證需要進(jìn)行自由空間測試。進(jìn)行動態(tài)性能測試時，采用的手握夾具與現(xiàn)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(xiàn)模擬性能差的情況。

圖1：手機由外部天線轉(zhuǎn)為內(nèi)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(zhuǎn)向另一個方向，我們發(fā)現(xiàn)手機制造商投資了一項新技術(shù)，這項技術(shù)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。

天線分集

除了調(diào)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(shù)智能手機現(xiàn)在都應(yīng)用LTE的2x2 MIMO，LTE頻帶的設(shè)計已經(jīng)添加了第二根天線。

事實上，LTE標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)信道條件更加有利的模式。

將這一概念進(jìn)一步推進(jìn)，現(xiàn)在谷歌Pixel 和三星Galaxy S7等幾款手機在關(guān)鍵LTE頻段中使用四根天線，支持選擇四路接收機分集和4x4 MIMO。自由空間測試手機行能時，吞吐量的增加并不明顯。

現(xiàn)實生活中，用手抓住手機的金屬外殼進(jìn)行通話，額外的天線可能會對吞吐量產(chǎn)生很大的影響。一些供應(yīng)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4x4 MIMO，但并不是任何地方都具有配備4x4 MIMO的能力。因此，我們構(gòu)想智能手機的架構(gòu)具有分集開關(guān)，允許4x4 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。

調(diào)諧功能

光圈調(diào)諧在10年前就已經(jīng)推出，并已成為任何智能手機的標(biāo)準(zhǔn)部分，包括700MHz和960MHz之間的多個頻段。如今大多數(shù)智能電話中，天線長度的改變可以作為一個開關(guān)，從而將其諧振頻率從一個頻帶轉(zhuǎn)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(diào)諧功能外，現(xiàn)在超過100個智能手機型號包括阻抗匹配調(diào)諧，這個調(diào)諧功能適應(yīng)于降低手機對手機的影響。閉環(huán)阻抗匹配調(diào)諧可以恢復(fù)超過4dB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(xù)航一個小時;手機能夠進(jìn)行更穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通話，由于TDD鏈路上行鏈路限制，故而使用TRP鏈路，恢復(fù)4dB手機性能極大地提高了LTE鏈路的穩(wěn)定性;帶來更高的數(shù)據(jù)吞吐量，更高的信號質(zhì)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(huán)調(diào)諧消除

載波聚合(CA)

許多人認(rèn)為天線調(diào)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(xiàn)載波聚合的情況下。

然而，目前使用的閉環(huán)調(diào)諧可以適用于不同的情況，移動專家預(yù)測即使在“低-低”CA情況下，也可以采用阻抗匹配調(diào)諧和孔徑調(diào)諧。

CA發(fā)展的下一步是調(diào)制解調(diào)器需要做出一些選擇，決定調(diào)諧設(shè)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(quán)頻帶，也可以包括LAA，3.5GHz寬帶無線服務(wù)和其他頻帶。當(dāng)許可和非許可頻帶的不斷組合時，CA算法可能會變得相當(dāng)復(fù)雜。

接下來會如何發(fā)展呢?

行業(yè)模式已經(jīng)開始改變。十年前，手機OEM在認(rèn)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(jīng)主動選擇使用調(diào)諧來解決問題。解決方案已經(jīng)被簡化和“系統(tǒng)化”，成本遠(yuǎn)低于從前。新的手機使用分集和調(diào)諧的組合，日常使用時可以提高4dB，在某些情況下甚至可以提高10dB。

圖3：系統(tǒng)閉環(huán)設(shè)計也可適應(yīng)于改善寬帶性能

如果拍賣使得600MHz的頻譜用于移動通信，我們預(yù)計天線性能的問題會變得更加嚴(yán)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(dǎo)致天線效率較差，迫使系統(tǒng)工程師使用更窄的諧振天線來減少電損耗。由于600MHz頻帶進(jìn)入市場需要與700MHz或850MHz頻帶載波聚合，因此我們需要使用更復(fù)雜“系統(tǒng)化”調(diào)諧器，能夠在動態(tài)環(huán)境下針對多個頻帶進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵在于將天線視為一個系統(tǒng)，而不是一個組件。手機OEM廠商正在處理數(shù)十個頻帶，其產(chǎn)品旨在將無數(shù)的頻率組合。找到更加智能的天線調(diào)諧是一個復(fù)雜的問題。

實施高級閉環(huán)天線算法的調(diào)制解調(diào)器供應(yīng)商將能夠從給手機帶來更多的性能。這雖然不是一個技術(shù)細(xì)節(jié)，但能夠帶來一個主要的影響：閉環(huán)調(diào)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(shù)據(jù)速度。

Joe Madden是Mobile Experts LLC的首席分析師。Madden為我們的預(yù)測提供業(yè)務(wù)分析，以及從事半導(dǎo)體領(lǐng)域研究。

他在移動通信領(lǐng)域工作超過了26年，在這段時間里，他準(zhǔn)確預(yù)測了數(shù)字預(yù)失真，遠(yuǎn)程無線電頭端，小小區(qū)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)商驗證想法，將業(yè)務(wù)模式與技術(shù)之間相匹配。盡管開始他在Stanford學(xué)習(xí)經(jīng)濟學(xué)，后來擁有UCLA的物理學(xué)學(xué)位。