牽動下一代裝置開發　天線設計困難度挑戰空前

創新的工業設計對天線設計和布局帶來明顯限制，例如可折疊(Foldable)或可捲式(Rollable)顯示面板、使用虛擬控制項取代實體按鈕等。增加載波功率要求與OME系統效率目標和改進(如電池使用壽命)之間的衝突也帶來額外挑戰。有廠商如Qorvo在幫助企業解決棘手射頻問題方面擁有豐富的經驗，其重新構想天線解決方案(QASR)，可協助工程師應對空間、設計和性能挑戰，以便利用射頻架構中的天線功率。

快速發展的行動產業

隨著手機和可穿戴裝置製造商與行動營運商競相提供更大覆蓋範圍、更高資料速率、全新的無線通訊功能和變革性工業設計，行動產業的創新步伐繼續快速前進。

智慧型手機製造商開始擴大產品系列的5G支援，以滿足視訊串流、視訊會議、音樂和遊戲等資料密集型服務日益增加的需求。因此，用於高階手機的5G高頻寬6GHz以下頻段(n77/n78和n79)和更寬毫米波頻段(n257~n261)，如今也開始用於中階和大眾市場手機。在增加射頻複雜性的同時，5G不僅需要拓展新的蜂巢式頻段，還需要在更高頻段上支援4×4 MIMO，以實現更快的資料傳輸速度。

製造商還在手機中增加了更多非蜂巢式頻段，以提供更快的網路，支援新的定位服務。例如：Wi-Fi 6E/7將Wi-Fi擴展到6GHz頻段，並提供超寬的160~320MHz頻道，以便為高解析串流傳輸、虛擬實境和點對點遊戲等應用提供更高性能，同時緩解Wi-Fi頻譜廣泛使用所造成的堵塞。

由於蜂巢式、Wi-Fi、超寬頻(UWB)、毫米波和GPS標準規定了新頻段和提出了新要求，使得5G手機的射頻路徑通常為LTE手機的兩倍多。

最初用於高階手機的UWB技術，如今也開始用於中階和大眾市場手機。UWB能夠以前所未有的精準度(誤差在幾公分內)，在室內或室外計算距離和位置，並且開始支援全新的定位應用和裝置。UWB使用的頻道寬度至少為500MHz，頻率範圍為3.1~10.6GHz，目前行動應用主要使用的頻率範圍為6~9GHz。製造商還開始增加新的GPS L5和L2頻段，這為任務關鍵型應用提供了更高定位精度等各種優勢(圖1)。

與此同時，隨著行動營運商尋求良好的現有頻譜，以提高資料速率，智慧型手機開始增加越來越多的多蜂巢式頻段複雜組合。許多營運商開始使用EN-DC(E-UTRAN新無線電—雙連接)，這樣就可以透過使用4G錨點頻段(Anchor Band)與5G資料頻段組合，在部分地區更快地部署5G資料速率。載波聚合(CA)整合了多個分量載波(CC)，以實現更大頻寬和更高資料速率。隨著組合選項中增加越來越多頻段，CA也開始變得越來越複雜。5G定義了數百種最多可達16個CC的新組合，每種組合的連續頻寬可達100MHz，總聚合頻寬可達1GHz左右。其中包括具有挑戰性的兩個或多個低頻段新聚合，如歐洲或亞洲的B20+B28組合和北美的B5+B12、B13或B14組合，它們具有更大範圍和更大吞吐量等優勢。

製造商還開始採用更高的發射功率，以擴大高頻訊號的覆蓋範圍，因為高頻訊號的傳播距離不及低頻訊號。2級功率可使天線的發射功率翻倍(達到26dB)，目前已經廣泛使用，而業界目前也開始探索能使功率進一步增加兩倍(至29dB)的1.5級功率。

工業設計創新

由於製造商在尋求新方法來實現產品差異化，並提供令人欣喜的全新消費者體驗，智慧型手機工業設計也開始快速發展。變革性設計包括可捲式螢幕的手機、可折疊螢幕的翻蓋手機。環繞手機邊框的螢幕具有新潮的時尚外觀，同時盡可能擴大消費者可用的螢幕面積。實體按鈕開始被虛擬控制項所取代，虛擬控制項通常位於手機的下邊框或側邊框。此外，製造商還在不斷增加使用者重視的其他新功能，如更佳的顯示螢幕、更多的攝影機、多種生物身分驗證方法、更高品質的喇叭和更大的電池。雖然它們對消費者極具吸引力，但這些功能會占據空間，進而減少射頻前端(RFFE)的可用空間，而且還會對RFFE元件和天線的位置帶來新的限制。

各種趨勢導致了使用蜂巢式或非蜂巢式連接的小型物聯網(IoT)裝置爆炸式增加，包括手表、其他可穿戴裝置和小型追蹤裝置。在這些裝置中，空間至關重要，而將射頻系統壓縮到微型空間中也非常重要。

天線設計所面臨挑戰

連接和工業設計方面的創新，給致力於下一代智慧型手機和其他行動裝置的工程師帶來各種相互關聯的天線挑戰。

射頻路徑增加兩倍

增加新的蜂巢式和非蜂巢式頻段大幅提高行動裝置中射頻路徑的總數。支援毫米波頻段和UWB的典型5G手機的射頻路徑是典型4G手機的兩倍多。每條射頻路徑都需要連接至天線，但要將天線的數量翻倍根本不可能，因為手機內部可用空間有限：增加天線數量意謂著它們必須彼此靠近，進而會降低天線之間的隔離度。這會導致耦合相關問題，進而增加RFFE中存在非線性元件的可能性，使接收器的靈敏度降低(圖2)。

考慮到固定外形尺寸中可實現的天線總數限制，處理射頻路徑數量成長的合理方法就是增加每個天線的頻寬，以支援更多頻段。然而，這種方法也會帶來挑戰。天線頻寬越寬，損耗往往就越大。它們可能需要更多空間，因為天線的尺寸是由其支援的最低頻率決定的。此外，使用單根天線同時發射和接收多個頻段會提高混合訊號產生非線性雜散發射的風險。解決這些問題並非易事，因為需要進行仔細分析並採用專門的天線設計技術，同時在RFFE中結合適當的濾波和路由解決方案。

超寬頻

支援UWB需要使用3或4根相對較大的貼片天線，而這會占用手機內原本就很擁擠的大量空間。因此，製造商開始尋找將其中一些天線組合在一起的方法，以減少所須的整體空間。另一個考量就是，是否將一根天線置於手機的邊框，以實現優良的全方位測距性能。

載波聚合和EN-DC

CA和EN-DC頻段的組合快速加劇天線挑戰。如今，可實現的聚合包括高、中、低頻段的數百種不同組合。既包括每個頻率範圍內的多頻段組合(如低-低或中-中聚合)，也包括不同頻譜範圍內的頻段組合(如低-中和低-中-高聚合)。此外，每個CC的最大頻寬也在增加。4G將載波頻寬限制在20MHz，而5G則將最大連續頻寬增加至45MHz(用於2,300MHz以下頻段)，最高可達100MHz(用於2,300MHz以上頻段)。

因為天線布建總數有限，每根天線可能都需要在非常寬的頻率範圍內(600MHz~ 5,000MHz)提供高性能寬頻發射和接收訊號(圖3)。

低-低聚合帶來了一些最具挑戰性的天線設計問題。行動手機通常使用位於手機頂部和底部的兩根主要天線來支援低頻段。這些天線位置最大限度地減少使用者與手機互動時降低性能的可能性，因為消費者通常將手放在手機兩側，而不是頂部和底部。關鍵問題在於，低-低聚合可能需要使用支援低頻段發射的第三根天線。這意謂製造商需要在手機內找到更多空間來放置這根天線，並確保所選天線位置在所有使用條件下都能夠提供足夠的性能。

更高Tx功率

PC2和PC1.5規格中定義的更高功率輸出會影響智慧型手機的電池使用壽命。這也意謂著，RFFE內部的所有後PA元件(包括天線調諧器)都需要處理更多功率。這通常意謂著需要使用更大的元件，但考慮到空間限制，這成為一大問題。輸出功率的增加也意謂著RFFE元件將生成更高電平的雜散訊號，進而需要額外關注如何緩解靈敏度降低和RSE的問題。

新設計可縮小天線空間

採用可折疊和可捲式螢幕的新手機設計帶來了一系列天線挑戰。手機必須能夠在不同的物理狀態下(捲曲或展開、折疊或打開)運行，這大幅限制天線的潛在位置，並且還可能需要使用不同的天線材料。更大的挑戰是，設計的限制可能意謂天線必須置於次優位置，這使其性能更容易受到人類互動的影響。天線接地可能會受影響，進而影響輻射效率。為確保在所有使用條件下的運行效率，需要仔細設計和定位天線(圖4)。

使用軟體定義的虛擬按鈕代替機械按鈕會帶來額外的天線挑戰。將這些按鈕置於手機底部可最大限度地提高便利性和使用者可用的螢幕空間，但這也意謂著它們可能會干擾過去放置在此位置的主天線。

誰將率先解決挑戰

正如本文所展示的，下一代行動裝置帶來了相當多的天線設計和工程問題。那麼，誰將率先解決挑戰？除了克服極其困難的挑戰所帶來當之無愧的自豪感，贏得創新競賽的團隊將在支援消費者的競爭中具有顯著的優勢。

重新構想QASR解決方案在幫助智慧型手機工程師解決下一代智慧型手機和其他裝置所面臨的天線挑戰方面獨具優勢。對此，Qorvo致力於投資能夠促進創新並支援手機持續發展的技術。然而，創新技術本身不足以解決棘手的射頻問題。因此與行動產業合作，幫助工程師解決各類行動裝置面臨的設計問題，幫助製造商將創新解決方案融入智慧型手機和其他裝置方面。其中包括首款天線調諧器，可幫助提高更廣泛頻段中的天線效率。

理想的解決方案供應商了解天線多工器、新路徑和標準的組合，以解決和簡化新興的複雜場景，並能協助推動新型客製化技術的發展，以滿足天線調諧、傳輸功能和射頻路由方面的5G需求，可幫助使用者應對空間、設計和性能挑戰，以便利用射頻架構中的天線功率。

(本篇文章由Qorvo提供)