天線復用器可解決5G手機及其他設(shè)備制造商面臨的一個關(guān)鍵問題：在分配給天線空間越來越小的情況下，如何適應(yīng)急劇增加的射頻復雜性。

通過利用天線復用器，制造商能夠使用更少的天線滿足新5G頻段、4x4 MIMO和其他新要求，同時不會對現(xiàn)有外形尺寸或功能產(chǎn)生影響。

他們將多個聲波濾波器組合在一起，從而允許不同的無線電[蜂窩網(wǎng)、Wi-Fi、GPS、超寬帶(UWB)]和更多頻段共享單個天線。通過使用天線轉(zhuǎn)換開關(guān)，制造商不但可以充分發(fā)揮5G的優(yōu)點，還可以增加吸引消費者的創(chuàng)新功能。

手機制造商面臨著反復挑戰(zhàn)：手機設(shè)計趨勢使得通過增加天線來滿足這些需求變得越來越困難，但仍需設(shè)法支持新射頻標準并滿足多頻共存擴容要求。

典型的4G手機已經(jīng)包含4到8個天線，而5G手機將需要更多天線。這是因為手機制造商需要加大對5G和其他新興標準（如UWB）的支持，同時繼續(xù)支持4G手機中實現(xiàn)的所有頻率和標準。與此同時，5G手機中的天線可用空間實際上正在縮小，因為制造商給手機增加了其他新功能，如附加攝像頭、人臉識別和運動感測功能。

這會導致天線效率問題，因為天線效率（最大程度減少損耗的能力）與天線尺寸以及傳輸頻率成反比。隨著天線數(shù)量的增加以及天線可用空間的縮小，維持滿足手機性能要求所需的天線效率和隔離變得更加困難。

圖1 損耗、使用頻率和天線面積之間的比例關(guān)系

射頻復雜性的不斷增長會引起天線設(shè)計問題

隨著新5G頻段和要求（如4x4多路輸入/多路輸出(MIMO)、EUTRA雙連接性(EN Dc)/雙UL、mmWave）的加入和新興標準（如UWB）的出現(xiàn)，5G手機的射頻復雜性急劇增加。同時，5G手機還必須繼續(xù)支持4G手機所有現(xiàn)有的和重新分配的低、中、高頻段頻率以及其他要求，如GPS Level 5(L5)、GPS/GNSS、2.4 GHz和5至7 GHz Wi-Fi(Wi-Fi 6E)。

新5G頻段

為實現(xiàn)明顯更高的數(shù)據(jù)速率，5G采用新的高頻、寬帶蜂窩頻譜。這個頻譜分配在頻譜的兩個主要區(qū)域，均在傳統(tǒng)蜂窩通信使用的頻率范圍之上。

頻率范圍1(FR1)

這些新的超高頻段(UHB)（n77、n78、n79）采用3.3 GHz至5 GHz之間的頻譜。

頻率范圍2(FR2)

這是第一次在商業(yè)蜂窩通信中使用mmWave頻譜。RF2包含24 GHz（n257、n258、n260、n261）以上的多個頻段。由于FR2頻率下的信號傳播具有挑戰(zhàn)性，所以5G手機采用3到4個小型天線組成的較大陣列來提高信號強度和波束形成。

4x4 MIMO

為提高數(shù)據(jù)速率，大多數(shù)5G頻段需要使用4x4 MIMO。此外，在可能的情況下，4x4 MIMO也可用于現(xiàn)有LTE頻段。

這需要四個支持蜂窩通信的天線，比傳統(tǒng)4G手機架構(gòu)中使用的多兩個，這些天線使用兩個獨立的蜂窩射頻路徑，一個為主路徑，另一個為分路徑。

Wi-Fi 6E和NR-U

借助Wi-Fi 6E，供Wi-Fi使用的未許可頻譜不僅可以擴展至更復雜的調(diào)制應(yīng)用，而且還可以達到7 GHz的上限，遠遠高于之前的5850 MHz上限。該頻譜也可供未許可頻譜(NR-U)內(nèi)的5G使用。額外的1.2 GHz頻譜增加了可用帶寬和需要較高數(shù)據(jù)速率的用例數(shù)量。然而，為確保在其他頻段運行的手機可同時使用該頻譜，仍需要采用具有濾波功能且更高效的高頻天線設(shè)計。

UWB

UWB是一種相對較新的技術(shù)，定位和距離感測性能出色，精確度在幾厘米內(nèi)。如今，這項技術(shù)被用于許多行業(yè)的不同應(yīng)用，包括接近感測應(yīng)用和汽車應(yīng)用（如無鑰匙進入和啟動）。

顧名思義，UWB通過寬帶寬（500 MHz或更大）傳輸數(shù)據(jù)。最初的手機設(shè)計采用大約6.2 GHz至8.3 GHz之間的頻率。UWB本身需要3到4個天線陣列，這將占據(jù)手機內(nèi)部大量可用的關(guān)鍵空間。

增加手機內(nèi)天線數(shù)量面臨的挑戰(zhàn)即使出現(xiàn)新的射頻要求和標準，由于智能手機和設(shè)備設(shè)計的發(fā)展趨勢，在保持足夠的天線性能同時增加天線數(shù)量變得越來越困難。實現(xiàn)較高的天線性能需要足夠的天線容量和間距，但不斷發(fā)展的智能手機設(shè)計實際上減少了天線的可用空間，如圖2所示。

圖2：RF PCB和天線逐年減少

這些趨勢包括：

1、金屬框架和更小的邊框、玻璃背面以及無邊框或環(huán)繞屏幕限制了天線的可用面積。

2、增加吸引消費者的功能減少了可分配給RFFE和天線的空間。這些功能包括續(xù)航時間更長的大型電池、更多攝像頭、運動感測、指紋和人臉識別。

3、新興的折疊智能手機設(shè)計減少了天線的可用面積，因為無法將天線置于鉸鏈區(qū)域。

4、可穿戴設(shè)備是一個迅速擴展的市場。這些超小形尺寸賦予天線的空間極其有限。

圖3：5G手機的天線挑戰(zhàn)：5G明顯增加了射頻復雜性，同時減少了可用的天線容量

使用天線復用器解決天線設(shè)計問題制造商面臨著一個艱難的架構(gòu)抉擇。他們可以嘗試在不斷縮小的區(qū)域內(nèi)增加更多的天線，這有可能降低天線性能，從而影響手機的整體性能。也可以選擇使用新的替代方案：天線復用器，可減少添加天線的需求，并可滿足共存濾波和插入損耗要求。

天線復用器將多個RF濾波器組合在一起，以支持不同的無線電技術(shù)（蜂窩網(wǎng)、Wi-Fi、GPS、UWB），從而增加能夠共享單個天線的頻段數(shù)量。通過使用天線復用器，手機可更有效地利用現(xiàn)有的天線面積，同時增加對新頻段的支持，且不會對現(xiàn)有外形尺寸或功能產(chǎn)生任何影響。

天線復用器可與其他RFFE技術(shù)組合，以進一步優(yōu)化天線性能，補償減少的天線尺寸。

天線調(diào)諧使用孔徑和阻抗調(diào)諧功能可顯著提高天線性能，該調(diào)諧功能可補償天線尺寸的縮小，并允許單個天線覆蓋多個頻段。

多路復用器通過將多個頻段聚合到單個天線路徑中，這些多濾波模塊可實現(xiàn)載波聚合(CA）。

圖4：利用天線復用器，Wi-Fi以及蜂窩中頻段和超高頻段頻率可共享一個天線

Qorvo天線復用器的優(yōu)勢天線復用器具有一系列優(yōu)勢，包括提高手機制造商的設(shè)計靈活性、提高空間的使用效率、降低成本。 設(shè)計靈活性

通過使用天線復用器，智能手機制造商可以更加靈活地進行智能手機創(chuàng)新設(shè)計。減少天線數(shù)量意味著減少制造商的設(shè)計限制，這樣就更容易添加其他功能以及探索創(chuàng)新型外形尺寸，如折疊手機。更少的天線還意味著手機殼內(nèi)天線凹槽越少，這樣就可以實現(xiàn)更具吸引力的手機外觀，同時減少手機殼上的弱點。

優(yōu)化可用天線尺寸

通過使用天線復用器，制造商可充分利用手機可用空間：減少天線數(shù)量可增加手機功能。可優(yōu)化天線性能和間距。

減少板載射頻路由可降低成本更少的天線意味著減少內(nèi)部線纜、連接器和彈簧需求。您可以將一條組合線路路由到單個天線，而不是將單獨的線路路由到多個天線。這樣就可以節(jié)省大量空間，降低成本。

圖5：未使用聲波天線復用器的架構(gòu)展示

更少的SKU 天線復用器可提高天線架構(gòu)在不同區(qū)域的重復使用率，這意味著制造商只需少量的手機型號(SKU)即可實現(xiàn)廣泛的地理覆蓋。單個天線架構(gòu)可用于多個區(qū)域，而無需根據(jù)每個區(qū)域使用的頻段使用不同的天線布置。減少SKU數(shù)量可顯著降低生產(chǎn)和庫存成本。 在5G智能手機中使用聲波天線復用器根據(jù)每種設(shè)備的具體要求和挑戰(zhàn)，可將聲波天線復用器應(yīng)用于許多不同的場景。每個天線都能夠在多個諧振頻率下高效運行，彼此之間為諧波關(guān)系：高頻率是最低頻率的倍數(shù)。使用天線復用器的最有效方法就是，將射頻標準和使用這些諧振頻率的頻段組合在一起，從而有效地共用一個天線。

通常，基于聲波濾波器的天線復用器具有最佳性能，因為它們集成了低插入損耗、多頻段共存的地址OOB抑制功能，且共用天線的RF頻率之間具有高隔離度。它們還支持適用于5G、Wi-Fi和UWB的超高頻率。

圖5（續(xù)上）使用天線復用器的架構(gòu)展示

圖5（續(xù)上）顯示的天線復用器示例集成了4個聲波濾波器，因此2.4 GHz和5 GHz Wi-Fi、L5 GPS和GNSS可共用單個天線。如性能圖所示，天線轉(zhuǎn)換開關(guān)可在每個信號的通帶中實現(xiàn)低插入損耗，并可實現(xiàn)高信號隔離度。

圖6：支持2.4 GHz和5 GHz Wi-Fi、L5 GPS和GNSS共享單個天線的天線復用器框圖和性能圖

總 結(jié)

所有5G手機和其他設(shè)備制造商面臨一個主要問題：隨著可用天線面積繼續(xù)縮小，如何適應(yīng)不斷增加的射頻復雜性。

天線復用器提供了一個優(yōu)雅的解決方案。

通過使用天線復用器，制造商可繼續(xù)添加吸引消費者的創(chuàng)新功能（如更大容量的電池和更多攝像頭），同時實現(xiàn)5G的所有益處。

原文標題：利用天線復用器應(yīng)對 5G 天線設(shè)計挑戰(zhàn)

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責任編輯：haq