精準的天線調諧可以幫助智能手機利用新技術和新的頻譜資源。

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，天線設計已經(jīng)徹底改變了手機。當我們從2G轉換到3G繼而轉到LTE時，我們已經(jīng)逐步降低了10dB的鏈路預算。

隨著網(wǎng)絡顯著改進，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。

多種因素導致這個結果，包括消除擴展天線、金屬支架手機殼、多載波天線、載波聚合、授權協(xié)助接入和多輸入/多輸出天線技術 (MIMO)、天線形狀因數(shù)、投入市場時間的壓力。

因為政府機構會對天線端口進行測試，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。

在相當優(yōu)化的條件下，美國無線通信和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會(CTIA)認證需要進行自由空間測試。進行動態(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：手機由外部天線轉為內部天線，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，這項技術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)在都應用LTE的2x2 MIMO，LTE頻帶的設計已經(jīng)添加了第二根天線。

事實上，LTE標準允許使用第二根天線用于接收機分集或用于MIMO，選擇對于主導信道條件更加有利的模式。

將這一概念進一步推進，現(xiàn)在谷歌Pixel 和三星Galaxy S7等幾款手機在關鍵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行通話，額外的天線可能會對吞吐量產生很大的影響。一些供應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，我們構想智能手機的架構具有分集開關，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。

調諧功能

光圈調諧在10年前就已經(jīng)推出，并已成為任何智能手機的標準部分，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，從而將其諧振頻率從一個頻帶轉變到另一個頻帶。一些手機使用MEMS器件來改變諧振頻率。

手機除了頻率調諧功能外，現(xiàn)在超過100個智能手機型號包括阻抗匹配調諧，這個調諧功能適應于降低手機對手機的影響。閉環(huán)阻抗匹配調諧可以恢復超過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)調諧消除

載波聚合(CA)

許多人認為天線調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)調諧可以適用于不同的情況，移動專家預測即使在“低-低”CA情況下，也可以采用阻抗匹配調諧和孔徑調諧。

CA發(fā)展的下一步是調制解調器需要做出一些選擇，決定調諧設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頻帶，也可以包括LAA，3.5GHz寬帶無線服務和其他頻帶。當許可和非許可頻帶的不斷組合時，CA算法可能會變得相當復雜。

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)主動選擇使用調諧來解決問題。解決方案已經(jīng)被簡化和“系統(tǒng)化”，成本遠低于從前。新的手機使用分集和調諧的組合，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)設計也可適應于改善寬帶性能

如果拍賣使得600MHz的頻譜用于移動通信，我們預計天線性能的問題會變得更加嚴峻。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雜“系統(tǒng)化”調諧器，能夠在動態(tài)環(huán)境下針對多個頻帶進行優(yōu)化。

關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，其產品旨在將無數(shù)的頻率組合。找到更加智能的天線調諧是一個復雜的問題。

實施高級閉環(huán)天線算法的調制解調器供應商將能夠從給手機帶來更多的性能。這雖然不是一個技術細節(jié)，但能夠帶來一個主要的影響：閉環(huán)調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為我們的預測提供業(yè)務分析，以及從事半導體領域研究。

他在移動通信領域工作超過了26年，在這段時間里，他準確預測了數(shù)字預失真，遠程無線電頭端，小小區(qū)網(wǎng)絡和移動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商驗證想法，將業(yè)務模式與技術之間相匹配。盡管開始他在Stanford學習經(jīng)濟學，后來擁有UCLA的物理學學位。