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如何應(yīng)對(duì)多頻手機(jī)中的天線問(wèn)題--飛宇信
發(fā)布時(shí)間：
2019-08-09 17:26
現(xiàn)在手機(jī)中的射頻信號(hào)通道越來(lái)越擁擠。蜂窩電話已經(jīng)從雙頻向三頻甚至四頻快速發(fā)展。這些復(fù)雜手機(jī)還需要處理來(lái)自外圍無(wú)線設(shè)備的各種信號(hào)，如藍(lán)牙、Wi-Fi和GPS。而隨著WiMAX和LTE（4G）的加入，這種復(fù)雜度將越來(lái)越高。在移動(dòng)電話中，天線開關(guān)控制著天線接入所有這些無(wú)線信號(hào)，實(shí)質(zhì)上起著網(wǎng)守的作用。
多頻手機(jī)設(shè)計(jì)面臨著很大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗羞@些信號(hào)工作在不同的帶寬，而且它們都需要接入天線。為了取得最優(yōu)的性能和外形尺寸，它們最好能通過(guò)單個(gè)射頻開關(guān)接入天線。對(duì)開關(guān)制造商來(lái)說(shuō)，這意味著從單刀四擲（SP4T）相應(yīng)發(fā)展到SP7T甚至SP9T配置才能處理越來(lái)越多的信號(hào)。這種先進(jìn)的開關(guān)需要能夠處理由寬帶CDMA（WCDMA）和低功率I/O無(wú)線設(shè)備帶來(lái)的額外移動(dòng)通信頻段的接入。
可以預(yù)期的是，手機(jī)復(fù)雜性會(huì)越來(lái)越高，要求能夠處理更多頻段的信號(hào)。市場(chǎng)將至少標(biāo)準(zhǔn)化七個(gè)頻段，并且要留出一個(gè)空間給第八個(gè)頻段（LTE）使用。即使今后發(fā)生合并，射頻電路中由于合并留出的空間也會(huì)很快被越來(lái)越流行的、也需要接入天線的外圍無(wú)線電設(shè)備和功能所擠占。
為了支持互聯(lián)網(wǎng)、多媒體和視頻，3G移動(dòng)手機(jī)市場(chǎng)已經(jīng)轉(zhuǎn)向WCDMA。相應(yīng)的GSM也演變成GSM/WCDMA雙模技術(shù)。為了滿足全球需求，目前的GSM手機(jī)最多有4個(gè)發(fā)送（Tx）和4個(gè)接收（Rx）通道。增加WCDMA后每個(gè)新的頻段都要增加另外一個(gè)Tx/Rx通道。目前的移動(dòng)手機(jī)設(shè)計(jì)傾向于采用4xGSM（850、900、1800、1900MHz）和3xWCDMA（850、1900、2100MHz）前端。因此，手機(jī)復(fù)雜度已經(jīng)達(dá)到空前的水平。
多頻手機(jī)中的任何設(shè)計(jì)折中都要求滿足或超過(guò)所有標(biāo)準(zhǔn)提到的性能等級(jí)。一般情況下，多模多頻的移動(dòng)手機(jī)使用單個(gè)功放模塊來(lái)處理四頻GSM/EDGE信號(hào)。另一方面，每個(gè)WCDMA頻段需要使用它自己的獨(dú)立功放。因此，具有一個(gè)WCDMA頻段的四頻GSM天線手機(jī)至少需要一個(gè)單刀六擲（SP6T）開關(guān)來(lái)管理所有的信號(hào)通道。當(dāng)然，設(shè)計(jì)師也可以使用一個(gè)雙工器和兩個(gè)SP3T（流行的GaAs配置），但與使用單個(gè)SP6T開關(guān)相比這種方法將產(chǎn)生較高的插入損耗。
射頻設(shè)計(jì)師需要特別關(guān)注插入損耗，因?yàn)樗苯佑绊懝Ψ诺墓β矢郊有剩≒AE）。GSM功放的最大飽和功率一般是3W，平均PAE是55%。必需達(dá)到這個(gè)效率水平才能確保較長(zhǎng)的電池使用時(shí)間，因?yàn)槭謾C(jī)總電流的一半用在功放上。鑒于此，設(shè)計(jì)師需要將保持功放的PAE定在最高優(yōu)先等級(jí)。一些早期的多頻WCDMA/GSM手機(jī)使用獨(dú)立的WCDMA和GSM信號(hào)鏈，并采用獨(dú)立的天線和無(wú)線設(shè)計(jì)。盡管這種方案在原型和第一代設(shè)計(jì)中非常有效，但市場(chǎng)需要具有更高性價(jià)比且節(jié)省空間的方案。顯然，業(yè)界要求集成式ASM能夠處理7個(gè)甚至9個(gè)信號(hào)。
圖1：IP3與器件的三階交調(diào)失真（IMD3）性能有關(guān)。
針對(duì)這個(gè)需求，業(yè)界開發(fā)出了SP7T開關(guān)來(lái)支持具有1個(gè)WCDMA和4個(gè)GSM頻段的手機(jī)架構(gòu)。例如PE42672就是采用UltraCMOS工藝技術(shù)開發(fā)的單片SP7T，它能提供+68dBm的三階交調(diào)截取點(diǎn)（IP3），這個(gè)線性度性能值可以滿足3GPP IMD3規(guī)范兼容的手機(jī)設(shè)計(jì)和高效的射頻前端要求。IP3與設(shè)備的三階交調(diào)失真（IMD3）性能相互關(guān)聯(lián)，這些相位上的指標(biāo)如圖1所示。
SP6T開關(guān)是開關(guān)架構(gòu)方面的最新成果之一。經(jīng)過(guò)配置它可以處理多個(gè)頻段的WCDMA、GSM和外圍無(wú)線設(shè)備。例如圖2所示的開關(guān)可以處理三頻段的WCDMA，并提供到雙工器和3個(gè)功放模塊的通道（每個(gè)WCDMA頻段要求使用自己的功放和雙工器）。這個(gè)開關(guān)還能處理只有單個(gè)功放模塊與之相連的四頻GSM/EDGE（包含2個(gè)功放芯片）。從實(shí)際效果看，這個(gè)設(shè)備必須通過(guò)受簡(jiǎn)單解碼器控制的單個(gè)開關(guān)傳送5個(gè)高功率信號(hào)。
圖2：SP9T正在處理三頻段的WCDMA，它提供了到達(dá)雙工器和三個(gè)功放模塊的通道。
隨著多頻段架構(gòu)的普及，對(duì)功放和相關(guān)濾波器的數(shù)量提出了嚴(yán)格的要求。事實(shí)上，對(duì)功放的技術(shù)要求沒有變化，但手機(jī)設(shè)計(jì)需要使用更多的功放。因此真正改變的是需要一個(gè)特別高效的方法將所有射頻信號(hào)傳送給天線-單片開關(guān)。
手機(jī)中增加的頻段越多，對(duì)開關(guān)的技術(shù)要求就越高，而且WCDMA的線性度和諧波要求對(duì)器件性能也帶來(lái)了很大的壓力。通過(guò)利用UltraCMOS制造工藝的線性優(yōu)勢(shì)，圖2中的單片PE42693 SP6T可以保持其前代SP7T開關(guān)+68dBm的IP3，而且IMD3性能超過(guò)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的-105dBm（圖1）。
SP6T功能可以用GaAs器件實(shí)現(xiàn)，但它需要額外的器件，例如CMOS譯碼器和驅(qū)動(dòng)器，這將極大地影響所需I/O的數(shù)量。對(duì)要求高度線性和隔離的5個(gè)高功率端口來(lái)說(shuō)挑戰(zhàn)尤其艱巨，因?yàn)镮/O數(shù)量越多，線的耦合和粘合的可能性就越大。
圖3：UltraCMOS SP9T不需要片外ESD器件或線性度增強(qiáng)匹配器件。黃框代表譯碼器，藍(lán)框代表ESD，綠框代表電壓生成器。
隨著多頻段手機(jī)越來(lái)越流行，對(duì)高集成度、小型天線開關(guān)的需求也越來(lái)越迫切。UltraCMOS SP7T開關(guān)現(xiàn)在已經(jīng)開始批量生產(chǎn)，SP9T也在2007年底投入批量生產(chǎn)。在外形方面，GaAs SP7T為1.6x1.5mm，而采用SOS工藝SP7T開關(guān)只有1.2x1.0mm，面積縮小了一半。目前的GaAs E/D pHemt或J-pHemt SP9T開關(guān)外形尺寸為1.9x1.5mm。與之相比，采用UltraCMOS 0.5μm工藝制造的SP9T外形尺寸為1.7x1.1mm（圖3），它不需要片外ESD器件和性能增強(qiáng)匹配器件。UltraCMOS發(fā)展規(guī)劃預(yù)計(jì)0.25μm版本的SP9T尺寸將達(dá)到1.32x1.29mm。
縮小尺寸的另外一種方式是將開關(guān)倒裝在結(jié)實(shí)的低溫共燒陶瓷（LTCC）基底上，無(wú)需占用以前線綁定所需的面積。目前晶圓級(jí)芯片尺寸封裝正在開發(fā)中，它所生產(chǎn)的UltraCMOS開關(guān)可以如同標(biāo)準(zhǔn)表貼封裝那樣處理。
在使用UltraCMOS制造的開關(guān)后，設(shè)計(jì)師可以省去其它開關(guān)技術(shù)要用到的譯碼器、隔直電容和雙工器。配合芯片尺寸封裝技術(shù)，這種工藝可以顯著減小ASM的尺寸和厚度。另外，其固有的ESD容差和單片CMOS接口可以簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)和使用。UltraCMOS工藝的極高良品率和增加開關(guān)方向的靈活性可以使未來(lái)新一代的手機(jī)具有更高的集成度，能夠解決多頻段手機(jī)體積縮小所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。
多模多頻段GSM/WCDMA手機(jī)的技術(shù)要求已經(jīng)超過(guò)了傳統(tǒng)RFIC技術(shù)（如GaAs）的極限。受這些超高性能要求影響最嚴(yán)重的是天線和射頻連接器。
雖然本文主要討論的是天線開關(guān)，但關(guān)鍵是要認(rèn)識(shí)到對(duì)系統(tǒng)天線的顯著影響。天線必須能夠高效輻射從800到2200MHz的信號(hào)，在微型天線允許的外形尺寸下這是一個(gè)相當(dāng)艱巨的任務(wù)。目前業(yè)界正在尋找新的技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，考慮到天線匹配問(wèn)題，可能使用開關(guān)和集總調(diào)諧元件?？傊?，射頻開關(guān)必須能夠切換最多9條大功率射頻信號(hào)通道，并且要具有低插損、高隔離和線性度。
深圳市飛宇信電子有限公司成立于2007年，是一家專業(yè)從事無(wú)線通信產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)和銷售一體的高新技術(shù)型企業(yè)。專注于天線類、模塊類、應(yīng)用解決方案、應(yīng)用終端等產(chǎn)品的研制生產(chǎn)。聯(lián)系人：13802709089 楊經(jīng)理(微信同號(hào)）。
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2021-02-23 11:30
天線極化，描述天線輻射電磁波矢量空間指向的參數(shù)，具體包括了圓極化(左/右旋)、線極化和橢圓極化。
2021-02-22 16:17
聊一聊天線振子是什么，在無(wú)線通信功能的設(shè)備中，有一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，它是用來(lái)發(fā)射和接收電磁波信號(hào)，可以說(shuō)是電磁波進(jìn)出無(wú)線電臺(tái)的門戶。它接收電磁波，轉(zhuǎn)換成電流，也把電波轉(zhuǎn)換成電磁波輻射出去。它的作用有點(diǎn)像是音響系統(tǒng)里的喇叭和話筒。這個(gè)器件就是天線。
2021-01-29 14:18
隨著5G試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)開展，5G基站系統(tǒng)通道數(shù)的增加并未提升單用戶的感知，其作用主要是增加多用戶的接入容量，但同時(shí)也增加了建網(wǎng)投資成本。在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景，如室外密集熱點(diǎn)場(chǎng)景、廣域覆蓋場(chǎng)景、室內(nèi)分布場(chǎng)景、交通干線和隧道場(chǎng)景，它們?cè)诟采w和容量上的需求都是有差異的。
2021-01-29 11:45
天線的種類非常多，而不同的天線應(yīng)用的場(chǎng)景各不相同，不同外觀的天線在不同環(huán)境中應(yīng)用，有些環(huán)境下的天線必須達(dá)到防水，防塵，防震等等。我們常坐的高鐵場(chǎng)景天線又是怎么應(yīng)用的呢。
2021-01-28 14:31
陶瓷天線占用空間很小、性能比較好；帶寬窄，比較難做到多頻段；有效提高主板的整合度，并可降低天線對(duì)ID的限制；需要在主板的定義之初導(dǎo)入設(shè)計(jì)。
2021-01-28 14:28
天線是能夠有效的向空間某特定方向輻射電磁波或者能夠有效的接收空間某特定方向來(lái)的的電磁波的裝置。
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