如何系统地实现用于LTE无线设备的高级天线架构

　　在已经商用和正在计划的所有这些LTE网络中有一个共性，它们同样需要实现LTE的多输入，多输出（MIMO）需求。这些MIMO的需求会延展到基站和终端设备中。在终端设备的案例中，有几个原因使得MIMO成为挑战，包括：需要多个天线，持续不断变薄的趋势，史无前例的频带分离，运营商对低频的偏爱，以及 在射频设计中缺乏经验。

　　3G仅需要一个天线，而MIMO技术却需要至少两个天线。天线的数量会随着MIMO设计成4&TImes;4和8&TImes;8而增加。为多个LTE天线（包括3G/2G备用天线、GPS、Wi-Fi、蓝牙和NFC），找寻空间变得更加困难。而高阶MIMO设计又与更轻薄的设备产生冲突。

　　随着设备变得更加轻薄，智能手机和平板电脑的内部空间正以每年25%的速度锐减。显示屏和电池获得了最高优先级，而诸如处理器、内存、天线系统和其他部件只能来争夺剩余的空间。一方面是更薄的趋势，另一方面是MIMO和低频带（例如700MHz）需要物理尺寸更大的天线配置，要同时满足这两个需求，这给原始 设备制造商们（OEM）以及他们的设计团队带来不可忽视的压力。

　　LTE的工作频段超过40个，覆盖了从450MHz到 2.7GHz，其中大约一半已经用于现有的设备中。为智能手机或平板电脑建立LTE制式的全球性漫游，需要支持到至少40个频段，在LTE还未覆盖到的区域则降级为相应的3G制式 。在这些频段中，即使是在任一个很小的子集频段中，为必要的2&TImes;2或更多的MIMO寻找天线空间都是具有挑战性的，再加上诸如Wi-Fi和其他技术的天线 时就显得更加不容易了。

　　运营商们总是渴望更低的资本支出（CapEx）和运营成本（OpEx），因此低频段成为他们的最佳选择。通常的经验是更低的频率和更低密度的基站会给运营商带来更好的收益。较低的频带同样能提供较好的室内覆盖率，比如700MHz，在此频段也可以适应迅 速成长的“物联网”（IoT） 市场的需求，提供良好的无线网络，这也是保证用户满意度的关键。运营商们目前正关注600MHz频段在未来的使用机制。但是，较低的频带同样需要物理尺寸更大的天线，这就使得OEM厂商和他们的射频供应商在其更为轻薄的智能手机中放置天线时必须更有创造性。IoT设备同样也存在天线空间限制的情况。

　　随着LTE技术的普及率上升，设备供应商在其产品中加入LTE的时候压力也随之而来。仅仅是因为跟随新技术的学习曲线（learning curve）就足以给经验丰富的智能手机供应商带来挑战。而对于众多在M2M和IoT只有较少经验或者毫无经验的供应商来说，在产品中植入蜂窝技术便存在更多的挑战。

　　OEM厂商和他们的射频供应商不仅仅是要应对这些挑战，而更重要的，是利用创新的解决方案来更有效地工作，同时在市场差异化中获得优势。

有源天线和射频解决方案：实现更好的灵活性、可靠性和性能

　　有源天线系统能够帮助OEM厂商和他们的射频供应商更有效地工作。相比于传统的无源天线，有源系统提供了在设计和性能上更高的灵活性。事实上，有源天线是适应LTE的频段分离和MIMO需求的最简单的方式，它不仅能很好地满足运营商偏爱低频的需求，同时还能够帮助契合越来越薄的设备。

　　单独一根的有源天线能够覆盖两个或者两个以上的LTE频段，甚至那些相隔很远的频段也没有问题，比如频段17（704MHz到746MHz）和频段 41（2496MHz到2690MHz）。单馈有源天线（Single-feed acTIve antennas）已经发展为覆盖所有从698MHz到2700MHz范围内的LTE频段。这一灵活性使得更多的运营商能发展LTE的演进版本（LTE- Advanced），也就是能够载波聚合。当分离的频段变得更远的时候，LTE-Advanced就更有挑战性。系统设计者们越来越多地选择有源天线系统 来应对这一挑战。

　　有源天线系统给予了OEM厂商全新的选择，以实现终端用户所关注的诸如在语音、视频和数据传输，以及在3G 和4G等情况下的可靠性和性能。不同于无源天线，有源天线系统能够自动地重复调谐并且补偿由于用户头、手所产生的去谐效应（detuning effects）。这就意味着，智能手机和平板设备在采用有源天线时，能更好地提供快速的上行链路和下行链路的连通性，同时也出现较少的掉话现象。良好的可靠性和性能令OEM厂商的品牌受益。在智能手机的案例中，运营商同样希望在品牌信誉和营业成本两者中都可以受益，这样它们的客服接到的投诉电话将会更少。

　　有源天线系统同时也能提升OEM厂商竞的争优势。例如，在新产品的设计阶段，包括主板布局改变，或者设备有特殊需求（如 外形和性能调整），有源天线系统都能够动态调整，以适应这些不断变化的环境条件。这将有效地减少新产品的成本，并将其交货周期提前。OEM厂商可以最少化 其产品型号，因为有源系统的灵活性意味着它能够适应每一个国家或用户的频带。

定义理想的有源解决方案

　　由于有源天线系统为LTE MIMO的应用提供了许多优势，因此那么多射频供应商正积极开发有源调试解决方案就显得并不令人吃惊。越来越多的选择也都有着其自身的挑战：首先将解决方案确定下来，这会比先确定其他的诸如性能、可靠性、灵活性和易于集成等更加有效。

　　成功实现的关键在于一个系统的方案。这个方案需要通过天线、有源器件和算法同步设计和优化作为完整的解决方案来实现最佳的性能。这个方法不只是提供给设备供应商一个易于整合的解决方案，还能帮助其产品以最快的速度面市，以及获得最低的成本。其他的方案则需要多个步骤去实现。首先，设备供应商需要分别获取天线和芯片，而这些部件不能最优化的一起工作。其次，设备供应商必须集成各种器件、优化软件，集成各项到设备中并希望它们都能够工作。这种方案将会是非常耗时 和昂贵的，并且还会延长学习曲线。同时，对于那些缺乏天线专业知识的芯片供应商和大多数没有有源器件经验的天线公司来说，这种方案也可能难以获得支持。

　　理想的方案是一个有一体化的模块能够有效节省成本，并被快速地添加到智能手机、平板电脑和其他无线设备中，而不是花费数周或者数月的时间。这种即插即用的设 计减少了OEM厂商的研发成本和产品上市时间，同时他们不必雇佣一个射频团队去处理那些相应的工作。后者的优势则特别适用于那些仅仅只是掌握有限的、甚至 毫无射频经验的M2M和IoT设备的工程师们。

　　一种解决方案是有源阻抗匹配。这一项技术能够在不影响性能的同时，将天线的物理尺寸减少50%。这个尺寸的显著减少是非常有意义的，尤其是在电池体积在持续增长的同时，还有额外的天线需要集成到设备中的时候。另外，这一技术能够在 相同的天线体积的情况下用来覆盖更宽的频段。

　　理想的情况下，有源阻抗匹配应该完成在馈电点（feedpoint）而不是远离整个系统的地方，例如在收发芯片（transceiver chipset）中。在馈电点的设计将最大限度地提高性能，因为调试是要着眼于整个天线系统的。当调试放置在射频链路后端很远的地方，系统性能会对传输线 的电延时和损耗有不利的影响。

　　波段开关是另外一个重要的方式。也被称作有源孔径（active aperture），这项技术能动态地改变天线振子的电长度从而改变其频率响应。一种替代的方法已经在前面的有源匹配中讨论过，也就是在馈电点的调试电路 上改变天线的阻抗。这两种方法的主要区别，有源孔径/波段开关是一个用来粗调天线振子同时自动匹配在馈电点提供更优化的频率响应。

　　在过去，OEM厂商必须在两种技术之间进行选择，因为多个元件（例如可调电容和开关）造成的成本问题。然而新的有源器件消除了那些权衡的过程，而是融合一个四端口的开关和一个可调电容器在一个单独的射频集成电路（RFIC）中。这个设计利用波段开关调节贯穿了几百兆赫兹的频域，并且利用可调匹配功能来微调阻抗。LTE技术中最大的天线挑战出现在1GHz以下，因为这个频段对于天线尺寸最为敏感。有源天线系统技术将会着重去调谐这些较低的LTE频带。较高频率的性能在优化这些高频内置天线尺寸时就算不使用有源调节也比较容易实现。因此，它会更多的关注低频的阻抗匹配，提供一种更为有效的解决方案。

　　芯片供应商通常会设计一个射频集成电路（RFIC）去覆盖尽可能多的频段，适应尽可能多的天线类型和匹配尽可能多的阻抗。因此，设计就需要在性能和成本之间进行折衷。但是有着大量天线经验的供应商们知道，可调器件不能独立地去补偿一个很差的天线设计。同时一个富有经验的有源天线系统供应商也知道，为了实现最好的性能和最低廉的成本在设计一个天线和它的协调电路时同样的重要。

　　随着LTE逐渐普及，有源天线解决方案将会成为一个应对LTE的MIMO技术挑战的必要的方案，同时帮助OEM们在竞争中具有脱颖而出，制造出更高性能的设备。

关注最前沿的电子设计资讯，请关注“电子工程专辑微信公众号”。