本文來自Qorvo半導體
日前，Qorvo 華北區應用工程經理張杰在北京舉辦的 EDI CON China 上發表了一場題為《為中端和高端智能手機提供天線靈活性和高性能》的演講。
張杰首先指出，隨著技術的提升，這幾年智能手機承載了越來越多的應用和功能，而在這個發展過程中，也給手機天線帶來了巨大的挑戰：一方面，因為很多新技術和新頻段的應用，需要手機天線去覆蓋更多和更寬的頻段；另一方面，一些新功能和新技術的應用，也需要手機集成更多的天線。
“在之前，手機一般是四到六個天線。但進入到 5G 時代，手機天線的數量有可能會達到十個。但與此同時，智能手機留給天線的空間卻越來越小。為了達到更好更高的性能要求，這就給相關供應商提出了更高的需求。”張杰說。
如下圖所示，是手機通信制式過去幾年的演變。隨著通信制式的演進，“柱狀圖”越來越高，那就意味著手機上的天線需要覆蓋的頻段范圍越來越寬。這就驅使手機天線設計也要隨著通信制式的演進而逐步提升。
與此同時，現在的主流手機設計還有另一個明顯趨勢，那就是手機 PCB 主板設計的時候，其鏤空的區域越來越多，這主要是因為最近幾年手機開始要引入越來越多的攝像頭和步進馬達之類的器件，這種設計趨勢給手機 PCB 板帶來的影響就是在一個手機內部，留給 PCB 布線的空間越來越小，天線所占的面積也隨之變小。
現在的手機還有另一個明顯趨勢就是手機廠商在過去幾年一直在追求更高的屏占比，這無疑又給手機天線帶來新挑戰。因為這樣的設計會讓手機天線的“凈空”會變得越來越少。而隨著手機廠商或者智能手表廠商開始采用折疊屏，這種挑戰與日俱增。這主要是因為折疊屏在打開和關上的兩種場景，會引起手機天線狀態的重要變化。
“總結而言，現在市場上對手機天線的要求越來越高、對手機天線的數量要求也越來越高，但與此同時，留給手機天線的設計空間卻越來越少，這就給相應的設計界帶來前所未有的挑戰”，張杰說。他進一步指出，要解決以上問題，將不同功能的天線合并到一個天線上去設計，會是一個不錯的選擇。
張杰首先以一個支持 LTE 4X4 MIMO 的手機為例，說明天線合并的優勢。
如圖所示，如果把手機用到的網絡都用獨立的天線接收，那么總共就需要 12 個天線，如此多的天線在手機里就很難擺得下。為此我們需要想辦法把手機上的一些天線合并。而下面就提供了三種不同的天線合并方案。
使用下圖的合并方案，天線就可以減少到八根。
除了上述合并方案，下圖也是一種天線合并的選擇。在這種方式下，手機內的天線同樣也從 12 根降低到八根，但合并的是不同頻段。
下圖則是第三種天線合并方式，采用這種方式，天線的數量更是進一步減少到了六根。
“從以上三幅圖的天線合并中，我們看到有些實現框和虛線框，其中的虛線框代表其中的 Antenna multiplexer 可以用 LTCC 濾波器來實現，而實線則代表可以用類似 SAW 和 BAW 之類的腔體濾波器來實現。而 Qorvo 這邊則能提供腔體濾波器技術”，張杰表示。
在談到于兩者之間如何選擇的時候，張杰指出，如果我們需要合并的天線的頻段比較接近，但天線工作的隔離度要求很高，這個時候我們就需要用腔體濾波器的的 Antenna multiplexer 來實現，其他情況則可以用 LTCC 的濾波器實現。
下面，我們將從頻段入手，談一下天線合并的規則。
如上圖中所示，這是一個 MHB 的 MIMO 天線，能支持的頻段介乎 1.71Ghz 和 2.69Ghz 頻段之間。
如下圖左所示，我想把 GPS L1 的通路合并過來，這對天線的改變就是需要增加對 1.6Ghz 的頻段，這就要求天線設計者在設計天線的時候要擴展 100Mhz，支持 1.6Ghz 和 2.69Gh 的頻段，這比之前的天線設計是提高了一點難度，但也不至于太大。
“又因為這個天線本身就已經覆蓋了 WiFi 的 2.4Ghz 的頻段，所以如上圖右所示，我們希望這個天線能夠同時支持 WiFi 的 2.4Ghz，這樣對我們天線設計的難度毫無增加。唯一的區別是我們需要用一個 Antenna multiplexer 把 WiFi 合進來”，張杰接著說。
接下來，我們舉一個更實際的例子。下圖是一個 LTE 手機方案，在其中，我們用到了六根天線。但現在，我們進入了 5G 時代，需要支持更多的頻段。因為 5G 需要支持 4*4 MIMO，那就意味著每個 band 都需要四個天線。以國內為例，5G 頻段用得最多的是 n78、n79 和 n41，如果需要對他們全部支持，就要求我們在設計中為這三個頻段單獨增加天線，那就需要各增加四個共 12 個天線。
“從前面的介紹中我們可以看到，如果想在有限的手機空間中增加那么多的天線是不可能，為此我們需要重新規劃和整合這些天線”，張杰說。其大致方案如下圖所示。需要提一下的是，Qorvo 在這個方案中只是用了九根天線。
從以上的設計中，我們還發現一個問題。如上圖所示，上面的三個天線都支持 2.4Ghz 的頻段，因為這三個天線是緊挨在一起的，這就導致我們很難做天線的隔離度。為此我們就決定用 Qorvo 的 Antenna multiplexer 把左邊天線的 2.4Ghz 頻段抽取出來，合到右邊的天線上去，簡化了天線的設計，還能幫助把中間主級的天線性能調出來。
從下面的仿真圖我們可以看到，通過這樣的設計，不但能改善天線的隔離度，還能把中間那根天線的效率提高。
另外，因為手機的天線越來越多，被分布在手機的各個位置，然而收發器只能固定在一個地方，那就意味著有些天線必須要面臨射頻走線的問題。如下圖所示，在我們的初始設計中，用到了兩根線。
為此張杰表示，如果用 Antenna multiplexer 把下圖的 2.4Ghz、5Ghz、n77、n78 和 n79 的天線合起來，這就可以省掉一根線。“這不但省了線的成本，還節省了手機的設計空間。通過這樣的設計，還進一步減少了天線的數量 ”，張杰進一步指出。
“在 5G 天線的設計中，我們會碰到越來越多的問題，例如天線之間靠得越來越近導致隔離度很難做好、天線越來越多使得留給天線設計的空間不夠，就算天線都設計進去了，但很難調出好的性能。而 Qorvo 就提供相應的產品解決以上問題”，張杰補充說。
他指出，借助 Qorvo 的設計，不但能提高天線的隔離度，改善效率，還能解決天線設計的困擾，加速手機上市的時間。又因為 Qorvo 有比較好的工藝和經驗，能推出市場表現較好的產品，產品在尺寸上的表現也很優越，這使得其并不會在方案上占有很多的額外空間。更重要的一點，通過減少天線的設計，Qorvo 還能幫助減少功耗，延長手機的續航時間，這在現在的“續航焦慮”的情況下，是很有價值的。
據張杰介紹，在天線這個領域，Qorvo 能提供兩大類的產品，除了上文一直在談的 Antenna multiplexer，還有如下圖左所示的天線調諧器，通過這兩種方案，Qorvo 能給手機設計廠商提供全方位的支持。
