Schlechter Handyempfang? Sie müssen sich um die Antenne kümmern.

Durch eine präzise Antennenabstimmung können Smartphones die Vorteile neuer Technologien und neuer Spektrumressourcen nutzen.

Erinnern Sie sich noch daran, wie Sie die Antenne Ihres ersten Mobiltelefons herausgezogen haben, um einen Anruf zu tätigen? Das Antennendesign hat Mobiltelefone in den letzten 25 Jahren revolutioniert. Beim Übergang von 2G zu 3G und dann zu LTE haben wir das Link-Budget schrittweise um 10 dB reduziert.

Es ist schockierend, aber wahr: Im Zuge der dramatischen Verbesserung der Netzwerke konnten wir die Leistung der Telefonantennen verschlechtern, ohne dass es dafür viel Feedback von den Verbrauchern gab.

Hierzu tragen eine Reihe von Faktoren bei, darunter der Verzicht auf erweiterte Antennen, Telefonhüllen mit Metallhalterung, Mehrträgerantennen, Trägeraggregation, lizenzgestützter Zugriff und Multiple-Input/Multiple-Output-Antennentechnologie (MIMO), der Antennenformfaktor und der Druck bei der Markteinführungszeit.

Da Regierungsbehörden die Antennenanschlüsse auf ihre Steckverbinder prüfen und die Netzbetreiber die Tests normalerweise in einer „Freiraumumgebung“ durchführen, bemerken die meisten Benutzer die Verschlechterung der Antennenleistung nicht.

Für die CTIA-Zertifizierung sind Freiraumtests unter relativ optimierten Bedingungen erforderlich. Der bei dynamischen Leistungstests verwendete Handgriff unterscheidet sich vom realen „Handgriff“. Beim Testen wird Schaumstoff verwendet, um die Hand vom Griff zu trennen und so die Verwendung einer echten Hand und eine schlechte Simulationsleistung zu vermeiden.

Abbildung 1: Das Mobiltelefon hat von externer Antenne auf interne Antenne umgeschaltet, was die Antenneneffizienz verringert

Die 25 Jahre währende Entwicklung der Antennenleistung beginnt nun eine Wende in die andere Richtung zu nehmen und wir stellen fest, dass Mobiltelefonhersteller in eine neue Technologie investieren, die speziell auf die Verbesserung der gesamten Strahlungsleistung und der Gesamtempfindlichkeit ausgerichtet ist, was den Mobiltelefonbenutzern enorme Vorteile bringen kann.

Antennendiversität

Zusätzlich zur Abstimmung der Hauptantenne kann das Hinzufügen einer Diversity-Antenne zum Terminal die Telefonleistung verbessern. Da die meisten Smartphones mittlerweile LTE 2x2 MIMO verwenden, wurden die LTE-Bänder mit einer zusätzlichen zweiten Antenne ausgestattet.

Tatsächlich ermöglicht der LTE-Standard die Verwendung einer zweiten Antenne für Empfängerdiversität oder für MIMO, wobei der Modus gewählt werden kann, der für die vorherrschenden Kanalbedingungen günstiger ist.

Mehrere Telefone wie das Google Pixel und das Samsung Galaxy S7 gehen mit diesem Konzept noch einen Schritt weiter und verwenden jetzt vier Antennen in wichtigen LTE-Bändern und unterstützen optionale Vier-Wege-Empfängerdiversität und 4x4 MIMO. Beim Testen der Telefonleistung im freien Raum war die Durchsatzsteigerung nicht spürbar.

Wenn Sie im wirklichen Leben das Metallgehäuse eines Telefons in der Hand halten, um einen Anruf zu tätigen, kann die zusätzliche Antenne einen großen Einfluss auf den Durchsatz haben. Einige Tests der Anbieter haben Durchsatzsteigerungen von über 60 % verzeichnet.

Mobilfunkbetreiber beginnen, für einige Basisstationen in 4x4 MIMO zu investieren, aber die Möglichkeit, diese auszurüsten, ist nicht überall vorhanden. Daher stellen wir uns Smartphone-Architekturen mit Diversity-Schaltern vor, die einen 4x4-MIMO-Betrieb oder eine Vierwege-Empfängerdiversität ermöglichen und so dafür sorgen, dass das Telefon in jeder Situation die beste Leistung erbringt.

Tuning-Funktion

Die Blendenabstimmung wurde vor 10 Jahren eingeführt und ist zu einem Standardbestandteil jedes Smartphones geworden. Sie deckt mehrere Frequenzbänder zwischen 700 MHz und 960 MHz ab. Bei den meisten heutigen Smartphones fungiert die Änderung der Antennenlänge als Schalter, der die Resonanzfrequenz von einem Band in ein anderes verschiebt. Einige Mobiltelefone verwenden MEMS-Geräte, um die Resonanzfrequenz zu ändern.

Zusätzlich zur Frequenzabstimmungsfunktion verfügen mittlerweile mehr als 100 Smartphone-Modelle über eine Impedanzanpassungsfunktion, die die Auswirkungen der Frequenzabstimmung auf das Telefon verringern soll. Durch die Impedanzanpassung im geschlossenen Regelkreis können mehr als 4 dB der abgestrahlten Leistungsverluste wiederhergestellt werden, was den Benutzern von Mobiltelefonen zugutekommt.

Beispielsweise können Handy-Akkus eine Stunde länger pro Tag halten; Aufgrund der Uplink-Beschränkung von TDD-Verbindungen können Mobiltelefone stabilere Datenanrufe tätigen. Durch die Verwendung von TRP-Verbindungen und die Wiederherstellung der 4-dB-Mobiltelefonleistung wird die Stabilität von LTE-Verbindungen also erheblich verbessert. Es sorgt für einen höheren Datendurchsatz und eine höhere Signalqualität ist sowohl für den Uplink als auch für den Downlink von Vorteil.

Abbildung 2: Fehlanpassungsverluste zwischen Mobiltelefonen können durch Closed-Loop-Tuning eliminiert werden

Carrier Aggregation (CA)

Viele glauben, dass die Antennenabstimmung nicht mit der Trägeraggregation kompatibel ist, insbesondere wenn die Trägeraggregation für Bandkombinationen mit niedrigem oder hohem Frequenzband implementiert wird.

Allerdings kann die derzeit verwendete Closed-Loop-Abstimmung an unterschiedliche Situationen angepasst werden, und Mobilfunkexperten gehen davon aus, dass Impedanzanpassungs- und Blendenabstimmung sogar in „Low-Low“-CA-Situationen übernommen werden können.

Der nächste Schritt in der Entwicklung von CA besteht darin, dass das Modem einige Entscheidungen darüber trifft, ob die Abstimmungseinstellungen auf Breitband oder Schmalband abgestimmt sein müssen.

Es ist erwähnenswert, dass die Trägeraggregation mehrere lizenzierte Bänder umfassen kann und auch LAA, drahtlose 3,5-GHz-Breitbanddienste und andere Bänder einschließen kann. Bei einer zunehmenden Mischung lizenzierter und nicht lizenzierter Bänder kann der CA-Algorithmus recht komplex werden.

Wie wird es weitergehen?

Das Branchenmodell hat begonnen, sich zu ändern. Vor einem Jahrzehnt waren die Telefonhersteller nicht in der Lage, bestimmte Antennenentscheidungen der Benutzer zu erkennen, waren jedoch nicht bereit, 2 Dollar pro Telefon auszugeben, um diese zu beheben.

Heute setzen OEM-Hersteller von Mobiltelefonen proaktiv auf Tuning zur Lösung des Problems. Die Lösungen wurden vereinfacht und „systematisiert“ und kosten weitaus weniger als zuvor. Neuere Telefone nutzen eine Kombination aus Diversität und Abstimmung, um im Alltagsgebrauch eine Verbesserung von 4 dB, in manchen Fällen sogar von 10 dB, zu erreichen.

Abbildung 3: Das System-Closed-Loop-Design kann auch zur Verbesserung der Breitbandleistung angepasst werden

Wenn durch die Auktion das 600-MHz-Spektrum für die mobile Kommunikation verfügbar wird, erwarten wir, dass sich das Problem der Antennenleistung noch verschärfen wird. Bei einer Antenne gleicher Länge wird beim Betrieb mit einer niedrigeren Frequenz die elektrische Größe der Antenne kleiner, da die Betriebswellenlänge länger ist. Dies führt zu einer schlechten Antenneneffizienz und zwingt Systemingenieure dazu, schmalere Resonanzantennen zu verwenden, um elektrische Verluste zu reduzieren. Da das 600-MHz-Band für den Markteintritt mit 700-MHz- oder 850-MHz-Bändern aggregiert werden muss, müssen wir komplexere „systematische“ Tuner verwenden, die für mehrere Bänder in einer dynamischen Umgebung optimiert werden können.

Der Schlüssel liegt darin, die Antenne als System und nicht nur als Komponente zu betrachten. Die Erstausrüster von Mobiltelefonen haben es mit Dutzenden von Frequenzbändern zu tun, und ihre Produkte sind darauf ausgelegt, unzählige Frequenzen zu kombinieren. Die Suche nach einer intelligenteren Antennenabstimmung ist ein komplexes Problem.

Modemanbieter, die fortschrittliche Closed-Loop-Antennenalgorithmen implementieren, können mehr Leistung aus dem Mobilteil herausholen. Dies ist kein technisches Detail, hat aber große Auswirkungen: Durch Closed-Loop-Tuning kann die Leistung eines Telefons effektiv verdoppelt werden. Dies führt zu einer längeren Akkulaufzeit und höheren Datengeschwindigkeiten für jeden Mobiltelefonbenutzer.

Joe Madden ist leitender Analyst bei Mobile Experts LLC. Madden liefert Geschäftsanalysen für unsere Prognosen und führt Untersuchungen im Halbleitersektor durch.

Er ist seit über 26 Jahren im Bereich der Mobilkommunikation tätig und hat in dieser Zeit den Aufstieg der Märkte für digitale Vorverzerrung, Remote Radio Heads, Kleinzellennetze und mobile IT präzise vorhergesagt. Er validiert Ideen mit Mobilfunk- und Kabelfernsehbetreibern sowie Hardwareanbietern und bringt Geschäftsmodelle mit der Technologie in Einklang. Obwohl er zunächst in Stanford Wirtschaftswissenschaften studierte, erwarb er später einen Abschluss in Physik an der UCLA.

Als Gewinner des Qingyun-Plans von Toutiao und des Bai+-Plans von Baijiahao, des Baidu-Digitalautors des Jahres 2019, des beliebtesten Autors von Baijiahao im Technologiebereich, des Sogou-Autors für Technologie und Kultur 2019 und des einflussreichsten Schöpfers des Baijiahao-Vierteljahrs 2021 hat er viele Auszeichnungen gewonnen, darunter den Sohu Best Industry Media Person 2013, den dritten Platz beim China New Media Entrepreneurship Competition Beijing 2015, den Guangmang Experience Award 2015, den dritten Platz im Finale des China New Media Entrepreneurship Competition 2015 und den Baidu Dynamic Annual Powerful Celebrity 2018.