技术文章—5G带给手机天线设计的挑战

Qorvo产品行销经理 Steve Hsieh

日前在中国台湾举办的“2019 IATE 5G/B5G夏季技术论坛”上，全球领先的射频解决方案提供商Qorvo公司的产品行销经理Steve Hsieh带来了关于5G时代手机天线设计的一些思考，现在我们分享如下，以飨读者。

在谈具体的挑战之前，Steve Hsieh先给我们科普了5G时代的频谱分布：

首先我们可以看一下在Sub-6Ghz频谱下，全球主要城市和地区的频谱分布。例如中国很聚焦在n78和n79，EU是n78，韩国也是n78。美国则一开始会关注在毫米波，到后面才会有Sub-6G的布局。

比较麻烦的是日本的频段，他们首先之一的是3.6Ghz到4.1Ghz的n77频段，这跟其他家不一样，如果你手机需要去覆盖这个频率，那么天线的设计会显得不太容易。

Steve进一步分析，如下图所示，韩国的频谱比较确定，在3.4Ghz到3.7Ghz之间，运营商也基本落实在LG、KT和SKT。美国则聚焦在band 48的部分，来到中国方面，中国电信和中国联通则主要聚焦在3.4Ghz到3.6Ghz的频段，而中国移动则聚焦在4.8Ghz到4.9Ghz的频段，中国移动同时还有另外一个频段——n41。

Steve还特别强调了在日本这边，他们的n77与其他国家的有点不一样，包括NTT、KDDI、RAKU、SB和KDDI在内的运营商也都聚焦在3.6Ghz到4.1Ghz的频段。另外，NTT还有个n79频段（4.5Ghz到4.6Ghz），因此如果你要在一个设备上同时支持中国和日本的频段，同时加上日本的一些运营商要求到年底前，所有设备都必须同时支持n77和n79频段。那么这将就意味着会给天线带来非常大的挑战。

前面谈的是Sub-6G的频段，下面我们来看看b41的频段。

Steve指出，根据规定，本来b41谈的是2496Mhz和2690Mhz的频段，而中国大陆本来的频谱分布是中国移动占据2575Mhz到2635mhz，中国联通则占有2555Mhz到2575Mhz频段，中国电信则是2635Mhz到2655Mhz的频段。但现在中国电信和中国联通都把这两个频段给了中国移动，在交换完成了之后，现在的中国移动拥有了2515Mhz到2675Mhz共160Mhz带宽的频段。几乎掌控了整个b 41的频段。

作为交换，中国移动则把n78频段给了中国联通和中国电信。

从上图你也可以看到，如果你想支持除了美国以外的国家的频段，你只需要选择一个160Mhz、支持b41的滤波器就行了。但是如果你还需要同时支持美国，尤其是Sprint。因为后者的b41的频率范围为2496Mhz到2690Mhz的194Mhz的带宽，这就需要工程师在设计天线的时候多加考虑了。

在对全球的频谱分布有了基本的了解以后，Steve给我们做了5G给天线设计带来的挑战思考。

Steve表示，回顾一下过去几年从2G到5G的天线的发展趋势。如下图所示，在2G时代，每个手持设备可能只需要2个天线就够了；到3G因为有GPRS和WIFI等的加入，这就必然增加了天线的数量；而从4G开始到现在的5G，MIMO逐渐增加，频段也越来越多，这就带来天线的增加。

Steve指出，在Sub-6Ghz的时候，需要8到10个天线，但到了毫米波时代，手机天线会增加到10到12根甚至更多。但我们应该了解到，在天线数量增加的同时，留给天线的空间却越来越小，这主要由手机的发展和设计趋势所导致的。

“现在，手机几乎都往全面屏设计这个方向走，安装在手机上的摄像头也越来越多，再加上类似摄像头升降这样设计的存在，以上都会挤压天线的空间”，Steve说。

另外，因为B71、GPS L5和 n77&n79等新频段（下图左下方的彩色部分）的引入，再加上需要对4*4 MIMO、载波聚合、802.11.ad和毫米波的支持，这与上面的手机留给天线的空间减少合在一起，加剧了天线的设计难度。Steve强调。

在Steve看来，碰到这些问题，那就需要类似Aperture Tuning、Impedance Matching和更小的天线解决方案和低损耗的Tuner来解决。