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天线调谐对智能手机生态系统产生的影响:掀起新一轮创新浪潮,播种5G未来

November 02, 2017

Wayne Lam Wayne Lam Principal Analyst, Mobile Devices & Networks

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在过去的几年里,智能手机经历了多次技术转型。智能手机中出现的新技术提高了电池寿命;激发了工业设计的创新。智能手机内部常作为设备特性列出的应用和基带处理器引人瞩目,而其他部分的进步却鲜为人知。

射频前端(RFFE)或者说是智能手机中射频收发器和天线之间的功能区域在智能手机的发展过程中并没有受到公众广泛关注,尽管它对于设备所有无线相关的运作及其重要。射频前端的最大挑战之一是在保持较小且高能效的设计下应对不断增长的数据传输速率需求而增加射频频段带来的设计复杂性。天线调谐是智能手机OEM厂商在维持或改进目前智能手机性能,尺寸以及电池续航条件的同时克服越来越严格和广泛的射频需求的一个例子。就在几年前,智能手机的设计还依赖于调整固定性能的静态天线以达到FCC或其他监管认证的标准以及实际情况下的可用性。对于智能手机市场中支持宽频段的中高端手机而言,这种设计方法将不再适用,大多数设计必须使用为整个智能手机生态系统带来多项好处的动态天线调谐技术。

智能手机的射频环境复杂程度持续增长,而非射频部分的设计进一步增加了射频环境的挑战性。从外壳材料的选择到手机屏幕边框尺寸都在影响现有智能手机设计中的射频性能。不久的将来,采用系统层面的动态调谐方式已成定局,不仅是为了增加产品差异化,也是为了提供满意的终端用户体验。总之,信号不好的智能手机,几乎各项功能变得毫无意义。

随着T-Mobile的网络在美国支持600MHz,智能手机被要求支持不断增长的无线电频率范围。未来几年,5G技术将进一步扩大这一范围。此外,天线调谐还将有助于载波聚合(CA),或将不同的射频频谱组合在一起,从而产生更大的聚合带宽,这将继续增加射频的复杂性。在这篇关于射频前端的系列的第三篇文章中,IHS Markit将探讨天线调谐对移动生态系统的重要性,以及该技术对智能手机OEM、终端用户和移动网络运营商的好处。

如何获得最好的信号:不要碰手机

使用智能手机的动作会削弱射频信号的接受以及射频信号自身强度。一般来说,有两种天线调谐方法可以帮助减轻射频系统的低效率和外部环境因素影响。这些因素有时被称为“头和手”效应;当射频性能受到智能手机外部元素的影响时,比如用户自己的头或手,就会发生这种情况。

阻抗和孔径调谐解决方案可以提高智能手机的射频前端的整体功率效率并提高性能。闭环阻抗调谐可以动态地处理射频前端和天线之间的不匹配以及环境因素,减少损耗,提高整体效率。孔径调谐解决方案能够对天线的辐射特性进行优化,而无需对天线结构进行物理上的改变;成为解决智能手机自LTE技术出现以来无线电扩展频段支持难题的重要元器件。

天线调谐为智能手机制造商带来诸多好处

最新一代旗舰手机带来的创新浪潮正席卷智能手机市场。小米、三星和苹果等领先的OEM厂商推出或即将推出的全面屏设计在天线调谐技术应用之前是不切实际的或不可能的。智能手机上的玻璃含有一定量的金属成分,如果没有天线调谐技术,玻璃就无法覆盖内部天线。尺寸是OEM厂商必须克服的另一个约束。在过去,支持低频频段的天线比那些高频频段的天线要大得多。然而,通过实现天线调谐系统,手机可以支持更宽的频率范围,包括600MHz,而不需要增加天线材料尺寸。

除了为OEM厂商提供更具创新性的工业设计条件外,天线调谐还简化了射频设计的整个流程,缩短了上市时间。过去设计手机的流程需要先执行射频设计,并在此设计基础上完成整台设备的设计。如今,有了天线调谐技术,OEM厂商在外观创新设计上有更高的自由度;天线的低效率很可能通过调谐来克服。天线调谐技术可以减少因未能通过认证而修改天线相关设计的成本和时间。现实世界的情况常常与实验室里的测试条件不同,除了更快的上市时间以外,OEM厂商可以确保他们的新款智能手机设计能够为用户提供一致的用户体验。

之前提到的天线调谐带来的好处使得这项技术的应用更加普及。中端和高端智能手机目前是使用天线调谐技术的主要细分市场。根据IHS Markit的数据,这些产品在2017年的设备出货量将近10亿台。从2016年到2021年,整个智能手机市场的复合年增长率 (CAGR) 增长了4%,而在天线调谐技术扮演提升用户体验重要角色的中高端智能手机市场,这一同期增长数据将会是7%。

天线调谐为终端用户带来实际好处

总体来说多数智能手机用户越来越在意不同设备及每代设备之间的性能差异, 虽然他们还可能没有意识到类似天线调谐等潜在技术为他们手中设备提供的好处。 近20年前,天线隐藏进了手机中,对于终端用户来说开始成为手机设计可以忽视的部分。然而,随着手机在4G时代的发展,手机设计中天线的数量也在增加,它们的效率也降低了。

天线调谐对终端用户的价值是难以夸大的。尽管调谐解决方案并不是比如像是相机这样的用户直接面对的功能;但这些技术提高了智能手机的可靠性、电源效率和尽可能高的数据传输速率。使用天线调谐技术的智能手机不太可能掉线且在更多使用场景下达到最高的数据传输速率,因为无论操作环境如何,总是能获取最优信号。此外,在对比智能手机电池续航时间时,一款带有天线调谐功能的设备,其运行时间比没有它的同类手机要长得多。通过天线调谐实现更高的数据吞吐量带来的好处会影响到大多数智能手机的使用场景。娱乐、虚拟现实/增强现实、社交媒体,甚至云存储应用都将提供更好的用户体验。

网络运营商的覆盖范围扩展和更好的客户体验

天线调谐技术可以帮助运营商推广盈利相关技术方面提供更好的用户体验,例如基于LTE的语言通话(VoLTE)。VoLTE存在固有的上行链路限制,因此智能手机并不总是能够与移动网络保持足够的连接,可能会导致通话中断。在实际应用中上行链路带宽非常关键,天线调谐系统的使用可以使上行链路的传输功率提高多达4dB-在弱信号条件下的传输功率增加一倍以上。不论用户位置在室内还是室外,一个可接受的用户体验对于诸如VoLTE这样的应用是不可或缺的。如果一个移动网络运营商只有高频频谱,而没有像天线调谐这样的技术,那么向客户提供满意的室内用户体验将比使用低频段的运营商要困难得多。

载波聚合技术允许运营商向客户提供更高的数据传输速度。闭环天线调谐技术可以对调制解调器采集到的LTE载波信号质量信息做出响应,并可以对传输和接收路径进行调整,以在各种使用场景中达到最高性能。传输能力的改善和设备端的传输和接收路径的优化可能能够改善整体网络覆盖和性能,在移动运营商为客户提供更好的用户体验的同时可能减少对新基础网络设施的投资。

天线调谐将帮助扫清通往5G的道路

能效和数据吞吐量仍将会在移动生态系统转向5G的过程中占据重要地位。单台智能手机将要支持不断增加的5G射频频段;而与此同时许多手机上的射频电路占用的PCB的面积在缩小。为了满足前端的所有射频功能,OEM厂商将需要最小的系统级解决方案。天线调谐已经助力在当今的4G手机设计中限制增加额外的天线。展望未来随着5G技术发展带来的射频技术复杂性提高,天线调谐技术将与包络追踪技术等技术在保持智能手机的能效和电池续航方面扮演至关重要的角色。与4G智能手机一样,5G设备将需要保持与旧的空中接口技术的兼容性,迫使未来的智能手机在当前智能手机RFFE设计基础上增加5G支持。IHS Markit预计,使用5G的手机将在2019年底推出,并将在2021年之前迅速增长。随着4G智能手机市场继续成熟,5G将开始带动下一波智能手机出货量的增长。

供应商系统级射频专长的重要性仍将持续

自从几年前推出4G技术以来,射频组件供应商展示其系统层面专长的重要性不断增加。系统级优化的天线调谐解决方案,即调制解调器能够分析信号质量,并动态调整天线以适应信号和环境条件,已成为中端和高端智能手机的射频前端的关键部分。很少有供应商能够提供射频收发器和天线之间的所有关键器件,更少的供应商可以针对其调制解调器产品使用专属具体方案优化射频前端设计。随着智能手机市场继续成熟,零部件供应商将需要为其OEM客户和其他移动生态系统参与者提供更高的附加值,以保持竞争力。尽管射频前端的重要性可能被智能手机用户低估了,但这一领域的创新比以往任何时候都更重要,因为它能让智能手机满足用户更高的期望。

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Mobile Devices
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