如何系统地实现用于LTE无线设备的高级天线架构

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。

作者：

杰夫·西姆布林，倚天泰克有限公司首席科学家；

王权昕，倚天泰克有限公司产品研发总监