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手机天线和射频一体化的挑战与方案

菜鸟
2006-01-25 04:34:00    评分
Antenova公司首席科学家 Simon Kingsley 对于现代无线蜂窝手持设备的内置天线设计者来说,他们面临许多挑战:手机生产商对天线的功能提出了越来越多的要求;成本的压力在不断增加;手机设计中为天线留出的地方越来越小;同时手机设计中还遇到了昂贵的定制化问题。而更多的功能就意味着天线必须覆盖更多的波段,意味着天线必须更大,同时也更难进行定制,这最终造成生产成本的增加。目前业界已经开发出一种全新技术来解决所有这些问题——射频天线模块。通过把天线与射频前端集成于同一单元内,并采用平衡式射频及天线结构来解决以上问题。   图1 (b)互补式配对安排方式:两个容性反馈短路贴片天线以及相邻的开放端口。 图2 Antenova的RADIONOVA天线模块 3(a) 该装置上面是两个放在一个塑料载体上方的堆叠在一起的平衡高频天线,下面是一个不平衡低天线、第二个塑料载体和底部的电子槽。 (b) 包含天线双工器和平衡/不平衡转换器以驱动平衡高频天线的低频柔性电路PIFA的细节。 (c) 柔性电路包括两对高频容性反馈短路贴片天线。 市场需要天线具有更多功能 据估计,2005年全球手持设备的销量有望超过8亿部,这个数字到2007将达到10亿。手机制造商之间为争夺市场份额而进行的竞争愈演愈烈,其手段则是为消费者提供更多服务及功能。由此导致的市场现象是,智能手机及PDA不断蚕食仅具备基本功能的手机市场。尽管绝大多数用户仍然使用2G网络,但是2.5G和3G网络的用户在持续稳定地增长。这一趋势必然会对手机及数字设备的生产状况造成影响,即手机及数字设备必须具备多种模式以适用于多种网络。这种趋势无疑为射频及天线的设计增加了难度。同时,对可覆盖5个甚至更多波段的天线的需求也日益普遍。 对于面向高端市场的手机来说,还存在对其他射频功能的需求,如蓝牙、GPS接收装置、无线电长波接收,以及WLAN。要实现这些功能同样需要天线,以及相应的空间,以使彼此有效协调运转并将彼此的干扰减至最低——这就给天线设计者提出了一大难题。此外,目前设备制造商和服务提供商对移动广播业务也表现了相当大的兴趣,主要是采用DVB-H或DMB格式的移动电视。这也是天线设计者不得不解决的又一个挑战。这是因为这种技术所需要的波段非常低(约为175MHz~780MHz),以至于射频波长远远大于手机的尺寸。设计一款比波长小得多同时还具备出色带宽的天线已经成了工程学上的“哥德巴赫猜想”。手机外观设计的不断创新(如翻盖式、滑动式等)更为解决这些问题增加了难度,因为这些时尚款式的手机中的水平极化天线没有固定长度。同时未来对超宽带、RFID及近距离通信的市场需求更是潜在的巨大挑战。而最终,所有这一切都需要全新的天线技术。 成本问题 除了小型天线日益增加的功能和复杂度以外,激烈的市场竞争也要求手机及配件成本必须不断降低。与天线相关的成本包括:材料、生产装配环节及设计阶段的定制环节。定制并不是一次性成本,而是贯穿产品整个设计周期的一个昂贵的流程。因此,天线设计者不仅需要寻求低成本的材料及可应用于大规模批量生产的设计,而且还必须降低设计成本。    体积问题 虽然大多数手机用户最常用的功能是接打电话及发送短信,但时尚的外观与新开发的功能也同样具有吸引力,如拍照、播放MP3、立体声、电脑接口、定位服务等。这些新功能的增加意味着需要更高的带宽,而更高的带宽则需要更大的内置天线的体积。体积的增加则违背了手机超轻、超薄的发展趋势。 要想减少手机中的天线所占体积有多种方法,其中之一是与其它零部件分享有限的空间。把天线像桥梁一样安装于其它配件上方或将其它配件纳入其中,而不用单独占用空间。通过这种方法,天线仍然可以获得达到一定带宽所必须的体积,同时又不需要单独占用PCB空间。如果所有射频及信号接收配件都置于天线的下方,那么就不再需要位于二者之下的过长的传输线,从而形成了一个高度集中的射频天线模块。    定制问题 尽管天线的趋势是越来越小,但天线的大小存在一个物理极限——Chu-Harrington (C-H)极限。这一概念指出:如果天线的体积(通常表达为波长)在标准点之下时,天线的接收效果会越来越差。对1500 MHz以上的波段来说,手机的内置天线足可以获得相应的体积以确保有效的收发。如果低于这一波段,天线的体积就偏小,就需要把整个PCB做成信号发射设备,从而使整个手机主板成为一个天线。而对手机主板的这种依赖又带来了新问题。 当接地面的大小不足以支持天线的全面映像时,如在蜂窝式无线便携式设备中采用了一个PIFA天线,那么接地面上射频电流的激励就会变得相当复杂。在某种程度上,整个接地面都变成了天线,而移动设备的设计就会直接影响到天线的性能。这就是问题所在。如果移动设备有较大的改动,包括PCB长度、电池及塑料外壳等,那么天线的这一半就会失谐,必须通过重新设计PIFA天线来进行纠正。由于在一款手机的设计流程中,部件会经常被更换或移动,这样就会造成需要不断重新设计天线。无论对天线设计者还是手机设计者,天线定制工作都昂贵耗时。理想的状态是无论何种手机,都几乎或根本不需要对天线做任何定制,天线可以简便地用于任何不同的手机平台,从而缩短手机的上市时间。    理想的天线 综上所述,一种理想的天线应该是多波段的,如可覆盖所有GSM无线波段的5波段天线,这种天线在1500 MHz以上时,应当是平衡的,无论用于何种手机均不需要定制;应当相对独立于PCB以及PCB上的其它部件。而在1500 MHz以下时,该天线必须是不平衡的,这样整个PCB/主板都可以作为辐射体;当然,它还应当易于定制,而且也必须能够与传统PIFA天线一样用低成本材料进行制造。最后一点,这种理想的天线必须体积很小,或者可以与其它零部件共享PCB有限的空间。 一个像Hertzian天线一样简单的平衡天线可以满足上面提到的很多要求。但这些平衡天线不能够用在诸如手机PCB的传导面附近,否则其阻抗会变得过低。因此必须找到另外一个更为完善的解决方案。解决办法之一是采用等效天线。不平衡电路的等效天线——单极天线或PIFA;平衡电路的等效天线——Hertzian天线,这些都是标准天线技术。同时,通过将一对不平衡天线背对背的部署在一起可以获得推挽式的等效天线(参见图1(a))。“背对背”的意思是指将一对天线沿电流加速轴以镜像对称的方式进行部署。这种天线安排方式称为互补,其优点在于每一个天线都与接地面逆向驱动,避免了对主板不必要的电流的驱动。而且如果采用了推挽式功率放大器来驱动天线的话,假设功率放大器不仅是平衡的而且是接地的,则奇数谐波将会被压制。 图1(b)显示的是一个可选的互补式配对安排方式。这一方式可以对Smith chart里的共振环比PIFA有更强的控制,从而使更高的带宽解决方案成为可能。在基于这一思想的一个方案中,天线的共振频率可以通过馈源和接地端之间的电流路径来进行有效的管理。采用双重对称的架构也是可以采用的一种方案,这种天线在接地面上的不同位置受到的阻抗变化最小。这就意味着天线可以有效地放在接地面的任何位置及朝向任何方向,同时为保持辐射性能所必需的调谐和/或匹配也都很少,可用于1500 MHz以上的任何频率。但是,由于C-H极限的存在,1500MHz频率以下的天线必须是不平衡的。要在天线中激励不平衡模式的方法有多种,其中之一是为窄频创建一个独立的贴片天线,或者在两个贴片天线之间建立一个电桥,从而创建一个单一的低频共振。实践证明单独的窄频贴片天线运行效果良好。    无线电天线模块 不平衡天线的结构是进行手机嵌入集成的最主要障碍。不仅为每款手机都定制开发一种不平衡天线价格昂贵,即使对于单个完整的无线电天线来说,其价格也太高。但是不可否认设计一种包含无线电和天线的单一模块仍然有很多好处:可以提高效率、缩小尺寸、降低成本。并且手机制造商不必对RF设计知道太多就可以生产,因为绝大多数定制化的工作都已经在模块的设计中完成了。而且现在,天线的互补结构消除了很多不平衡天线定制化所具有的缺点,使得这种无线电天线模块首次确立了其市场地位。 互补型架构中在天线下面有一个槽,从而大大简化了设计。基于这一架构的无线电天线模块能被水平拆开,这样下面的一半可以放入所有的RF半导体器件和天线所需的平衡驱动器,而上面的一半可以放互补天线对。这种安置方式能简化测试过程并且使得不同的制造技术能应用于模块的两个部分。将无线电和天线以这种方式结合在一起有很多好处,通过转移两个天线间的传输线可以获得更高的效率并且减少PCB所需的空间。不过,最大的优势是手机OEM和ODM厂商能够减少在设计开发RF前端模块的人力和成本。更少的个性化定制开发就等于快速的市场反应,这在今天蜂窝无线通信领域中非常重要。    实用因素 在基于双重对称架构的天线中,天线的驱动是由一根连到两个天线中间位置的非平衡式 50W阻抗的传输线来完成的。通过使用一个片上平衡/不平衡转换器,在两个天线间产生一个180南嘁疲扛鎏煜叩ザ郎100W阻抗的反馈。然而平衡/不平衡转换器在蜂窝式无线电应用上具有大约0.6dB的插入损耗。而且许多CDMA手机还包含了一个双工器,用它将高、低波段功率放大器的输出合并在一起。继而,无线电天线模块还需要第二个双工器再将他们分开。这两个双工器带来了更多的插入损耗,达到1.4dB。 很显然,如果RF前端电路的设计对天线具有窄频的不平衡输出和单独的高波段平衡反馈的话,那么这两个双工器和平衡/不平衡转换器就不是必需的了。这样可以减少BOM(物料清单)的成本并且节省2dB的损耗。可见将无线电和天线结合在一起设计是生成理想天线的最佳途径,而且可能有更多的好处。大部分手机功率放大器的输出阻抗都很低(通常低于10W),而且必须与50W阻抗的不平衡传输线和天线相匹配。这样耦合电路会带来损耗,而且无功阻抗分量通常也不会完全清除。但是现在天线已不必具有50W阻抗了,天线能够按不同的阻抗进行设计,能更好的与功率放大器相匹配,从而可进一步提高效率,特别是当功率放大器位于天线的里面,并省去传输线的时候。这种区别于RF前端模块孤立设计的优化组合设计是Antenova公司RADIONOVA概念的重要一面。 该5波段射频天线RADIONOVA的结构相当复杂,它包括两个柔性电路和两个塑料载体。然而最近,Antenova开发出了一款单一分层/单一载体的架构。这一架构将大幅降低成本,并可以满足原设计目标。RADIONOVA天线模块如图2所示。多天线可以用于增加数据率,并提高服务质量。行业趋势很有可能会发展为在一个手机中集成多个天线模块(至少在高频部分),并引入转换分集以及MIMO技术。    未来趋势 随着射频天线模块的发展,天线不应该再被看作和电容一样的独立部件。天线应该被设计成可与其他射频部件协同工作并可集成在一起的组件。这样不仅可以节省有限的空间和提高效率,而且可以挑战一些长久以来对天线设计所执有的固有看法。未来的平衡射频部件将专门面向无线电天线模块而开发。到那个时候,今天被广泛使用的阻抗为50W的天线就没有存在的价值了。阻抗将和其它部件一起用来优化功率放大器和天线的功效。包括平衡互补组技术的无线电天线模块意味着天线性能开始向这一目标迈进。这必将会降低手机成本,同时为消费者提供更多手机功能及服务。



关键词: 手机     天线     射频     一体化     挑战     方案     成本     设计         

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