5G终端天线设计,到底有多难?

5G终端天线设计,到底有多难?,第1张

说到“终端”,相信大家一定不会觉得陌生。

我们每天形影不离的手机,还有上班时经常使用的电脑,都被称为终端。

终端是离用户距离最近的节点,也是用户与系统之间的接口。用户访问和接入网络,必须依靠终端。

进入21世纪以来,随着物联网的诞生和发展,终端的种类迅速增加。它们的连接对象不再仅仅是人,而是延伸到世间万物。

例如,家里的门锁、电灯、电器,城市里面的路灯、水电表、垃圾桶,甚至包括单车、 汽车 、无人机,联网之后,都变成了终端设备,统称为 物联网终端

2019年6月,国家工信部正式发放了5G商用牌照,标志着迈入了“万物互联”的5G时代。

5G凭借大带宽、低时延、广覆盖等特点,不仅将消费互联网的用户体验推向了更高的水平,也极大地推动了百行千业的物联网场景孵化和落地。

例如,5G结合4K/8K超高清视频技术,甚至VR/AR技术,可以实现海量视频数据的无线传输,摆脱有线传输带来的空间束缚。

再例如,5G智能制造场景下,采用了5G技术的工业机器人,控制消息的时延极低,可以完成高精度的 *** 作,提升生产效率。

5G强大的网络通信能力,为行业应用场景的完美实现,奠定了坚实的基础。然而,它也给终端产品设计带来了巨大的挑战。

尤其是终端产品的信号收发能力,如果无法满足要求,那么即使网络再好,也是“有网无端”,难以发挥5G的真正价值。

那么,影响物联网终端信号收发能力的最关键部件,究竟是什么呢?

相信大家都已经猜到了,没错,就是 天线

天线,英文名叫做antenna,是所有通信设备最重要的部件之一。它的好坏,直接关系到终端的通信能力以及工作效率。

一直以来,天线都是终端的设计重点和难点。5G的到来,更是将天线的设计难度推向了难以想象的高度。

首先,5G终端要支持 多天线技术 ,以满足超高传输速率要求。

5G的超高速率(Gbps以上),要求强大的多天线系统性能支持极强的数据吞吐能力。为了实现高速率,5G引入了Massive MIMO(大规模天线)技术,终端天线需要同步支持。5G还引入了Beamforming(波束赋型),终端天线同样需要支持。

其次,5G终端天线必须有 合理的布局设计 ,尽可能小型化。

终端天线一般分为外置天线和内置天线。外置天线我们见得比较多,体积较大,独立于设备之外。而内置天线体积小巧,集成在物联网设备内部。

现在的物联网终端,一般都要求体积小巧,且内置天线更加美观,更具市场竞争力,所以,越来越多的终端厂商选择 内置天线方案

在本已狭小的设备内部空间,塞入5G天线,谈何容易?

天线是敏感元件,放置位置和方式有严格的限制,不是随便乱塞的。如果布局设计不合理,可能导致和其它器件之间的互相干扰,出现电磁兼容性(EMC)问题。

5G频段,中低频有Sub-6 GHz频段(甚至700MHz频段), 高频有毫米波频段。频率跨度大,意味着天线尺寸跨度也大,加上多制式网络的支持,要求天线必须具备很好的调谐能力,这也大幅增加了天线的设计难度。

在设计天线布局时,还必须要考虑用户使用场景和方式。例如,5G手持终端需要考虑手部握持的位置,5G踏板车需要考虑天线会不会被骑手身体阻挡,等等。

第三个设计难点,在于 功耗控制

功耗是物联网终端的命门。如果天线设计未经优化,会加剧电池的消耗速度。

5G作为高性能终端,功耗设计压力本来就大。如果天线额外增加了对电池的消耗,无异于雪上加霜。试想一下,如果5G终端需要频繁更换电池,用户体验从何谈起?随之而来的成本增长,又该如何面对?

除了上述几点之外,终端天线设计需要考虑的因素还有很多,例如新工艺新材料的应用,产品耐用性、可靠性、易安装性的增强,等等。

对于终端厂商来说,要在研发和设计5G终端天线时面对这么多的挑战,实在是力不从心。

有些厂商,因为忽视对天线的前期设计,导致产品定型后发现性能受限,工作效率无法符合设计需求,最终不得不花更多的经费、时间和精力,对天线进行重新设计。

也有的终端厂商,虽然知道天线的重要性,但缺乏天线专业人才,不具备合格的天线设计和测试能力,只能束手无策。

面对5G终端天线设计的诸多挑战,国内模组行业的领军企业——上海移远通信,提出了自己的见解和应对方案。

对于移远通信,行业内的读者一定都非常熟悉。他们是全球领先的物联网解决方案供应商,模组出货量排名前列,拥有涵盖2G/3G/4G/5G、NB-IoT/LTE-M、车载前装、安卓智能和GNSS模组的完备产品线。

作为模组厂商,移远通信在天线设计领域拥有丰富的行业经验积累。

目前,移远通信已成功推出250多种天线产品,包括胶棒、组合式、出线式、磁吸式等外置天线,以及PCB、FPC、SMD、陶瓷等内置天线,覆盖包括5G在内的不同技术的物联网应用。


移远通信认为,终端厂商选择多个供应商,采购组件,然后集成到一台设备中的传统方式,已经无法满足5G终端的天线设计需求。 无线模组和天线由一家能同时提供应用方案的供应商进行整合设计,将是5G时代终端天线设计的主流趋势。

无线模组、天线分开设计和采购,就好像是一辆 汽车 升级时只换发动机,或者只换车架、轮胎,缺乏整体上的考虑,性能提升始终有限。

而整合设计的方式,是站在更高的视角,进行全局考虑。无线模组和天线之间能达到更好的协同,发挥最佳性能。

例如5G天线的调谐能力,在整合设计的前提下,表现肯定优于分开设计。

除了达成5G的指标要求之外,整合设计也有利于减小5G终端的整体尺寸,减少对空间的占用。对于系统功耗和散热控制来说,整合设计也有明显优势。

系统级整合方案还有一个显著的优点,就是降低5G终端的设计难度,方便厂商们以更快的速度推出产品,抢占市场。


移远通信的“无线模组+天线”整合设计方案,既充分利用了自身在模组领域领先的技术实力和经验,又发挥了全定制天线设计、集成和制造能力,可以说是如虎添翼,让5G客户实现拿来即用,减少其在5G技术上的研发投入,缩短开发周期,助力产品快速上市。

移远通信拥有专业的天线团队,天线服务贯穿咨询与评估、设计、测试和认证、生产制造等各个环节,可以提供一站式服务。

除了设计能力赋能之外,移远通信天线服务还充分考虑了质量方面的保障,以及延伸服务能力的加强。

为了保证天线产品的质量,移远通信具备完善且严格的质量流程,可以提供完善的测试系统和设备。移远还可以提供射频设计审查和整机EMC/Desense排查测试,帮助客户解决最常见的难点、痛点,大幅减少开发工作量。


延伸服务能力方面,移远通信的服务网点遍布全球各地,可以提供本地化技术支持服务,更快响应客户需求,为客户终端快速抢占市场全方位“护航”。

移远还可以综合评估运营商要求,进行预认证测试、OTA优化,为客户节约各项成本,加速终端上市,抢占5G市场先机。

随着5G网络建设的提速,我们整个 社会 正在加速走向数字化、智能化。

以5G终端为代表的海量物联网节点,正在遍布地球的每一个角落,它们是数字化网络的神经末梢,也是构建精彩数智世界的基石。

我相信,在不久后的将来,在完善的设计服务加持下,还会有更多优秀的5G终端产品甚至爆款产品出现,颠覆我们的认知,彻底改变现有的工作和生活方式。

未来已来,让我们拭目以待!

你好,北京东方联星科技有限公司(简称“东方联星”)是注册于北京市留学人员创业园海淀园的高新技术企业,致力于自主知识产权的多模GNSS芯片、GNSS模拟器、系列化GPS研发工具的设计、开发和销售,同时为卫星导航用户提供最佳的卫星导航全面解决方案。

东方联星公司生产的专业型GNSS接收机和芯片,有效地解决了卫星信号快速捕获、接收机快速启动问题,各类移动载体上的快速精确定位,具有抗干扰/防欺骗能力,产品已批量供应各类专业导航定位市场。

东方联星公司生产的GPS卫星信号模拟器,同时模拟GPS星座和载体的运动,实现了载体运动轨迹的参数化和模型化,为各种GPS接收机性能测试提供了先进可靠的工具。NS600 12通道GPS模拟器,NS601可配置场景GPS模拟器,NS700多通道可编成GPS模拟器三款模拟器产品已批量供应市场。

东方联星公司生产的系列化GPS开发工具,充分开放了卫星导航射频、中频、数字基带、算法和软件等卫星导航核心技术,为高性能GNSS接收机研究和研发、卫星导航完好性研究、GPS信号研究、GPS干扰/抗干扰研究,提供了国际领先的平台环境。

公司承担的国家十一五“863”高性能GNSS接收机科技攻关项目和国家技术创新基金“GPS/GNSS接收机研发平台”设备研制等项目,其成果已实现了产品化并批量生产,性能与指标超出立项要求,在卫星导航领域发挥着重要作用。

东方联星公司通过了中国双软企业认定、集成电路设计企业认定、北京市高新技术企业认定,是中关村信用等级认证会员企业。

东方联星公司技术团队,具有10年以上GPS核心技术开发经验,掌握卫星导航国际前沿技术,精通GNSS射频、基带、接收机算法、接收机芯片、GNSS抗干扰、广域/局域GPS增强系统、GPS卫星信号模拟生成、GNSS接收机软件/硬件一体化设计技术。

公司作为GNSS实验基地,与北京大学、中国科学院等机构联合培养卫星导航方面高级人才。并筹建以企业为主体的企业、政府、大学和科研机构共同参与的新型产学研实体,即“卫星导航工程研究中心”。

公司的发展目标是:凝聚一流人才,打造一流团队,开发一流产品,占领国际市场。

公司的发展方针是:围绕国内外GNSS市场需求,依靠团队的技术实力和敬业精神,研发适销对路的GNSS上游产品,扩大国际国内市场份额,成为GNSS领域具有国际影响力的优秀企业。

搜索关键字:GPS接收机、GNSS接收机、GPS模拟器、GNSS开发工具。

东方联星自主开发的GNSS产品列表:

AG20H专业型GNSS接收机
AG-I专业型GNSS接收机
NS600 12通道GPS模拟器
NS601 可配置场景多通道GPS模拟器
NS700 多通道可编程GPS模拟器
NewStar210A 可变速率回放式GPS中频信号采样器(开放源码)
NewStar210B 外同步GPS中频信号采样器(开放源码)
NewStar100 GPS接收机开发平台(开放源码)
NewStar150C 桌面式可编程GPS原理实验平台(开放源码)
NewStar200I GPS抗干扰研究专用基带单元
NewStar220B GPS接收机
NewStar220T 网络型GPS时间同步系统
NewStar220E GPS接收机
NS230 无线GPS跟踪器
NS-TTS GPS信号转发器
NS-TTS-GG GPS/GLONASS信号转发器
NS-Combo 一体化GPS接收机
NS-T01 普通GPS天线
NS-T09 授时和测量型GPS天线
NS-T10 航空型GPS天线
NS-T11 室外GPS天线
NS-T12 GPS信号分路器
东方联星自主知识产权的GNSS实验室建设和系统解决方案列表:

OLS-1型 卫星导航教学实验室
OLS-2型 GNSS接收机开发实验室
OLS-3型 卫星导航完好性研究实验室
OLS3-1 典型的GPS完好性研究系统
GPS完好性综合监视系统
GPS终端生产测试系统
GPS高级培训班
东方联星公司承担的GNSS科技项目列表:

国家“863”高性能GNSS接收机技术攻关项目
国家技术创新基金“NewStar100 GPs/GNSS接收机研发平台”项目
中关村科技园国际合作“航空导航GNSS接收机研制”项目
北京市科委“NewStar180 GPS信号模拟器” 项目
“卫星导航完好性综合监视系统”建设项目 16514希望对你有帮助!

1 卫星物联网,通俗地讲就是通过卫星通信来做物联网项目。一般的物联网的都是通过2G/3G/4G网络来做物联网项目的,但是对于一些特殊的项目,因为2G/3G/4G网络信号不好或者用不了,必须借助卫星通信将物联网终端采集的数据传回后台,比如在沙漠地区、海洋上或一些偏僻的无人区。

2 商业化问题

国内已经有商业化应用了,我可以分享一个我们做过的项目。

项目背景

在戈壁滩地区对运输车队进行监控,主要采集车辆的定位信息,遇到紧急情况可以实现一键报警。基于位置信息在平台端开发一些设备管理、地理围栏等功能。整体上客户要求不复杂,主要难点是地面网络信号不太好,大片地区根本没有信号,所以需要考虑通过卫星通信来确保信息的传输。

卫星通信资费

我们考察了好几个卫星系统:北斗(短报文)、铱星的模块、海事卫星,但都不是很满意。通过北斗短报文传输位置信息,卫星通讯费用最便宜,目前是入网费600元,流量费850元包年(一年内不限制随便发信息),但是据说硬件稳定性不太好,另外就是国外的信号还不稳定;铱星的卫星通讯费用有些偏高,10元/1000bytes;最后在朋友推荐下找到了ORBCOMM在国内的代理商,因为据说ORBCOMM主要做低轨卫星,通讯费比较便宜。其实,也没有便宜多少,他们给的卫星通讯费是9元/1000bytes。但是他们提出了另外一个思路:2G网络和卫星网络双链路通信,有地面信号的时候,用2G网络发送数据,物联网卡就可以实现,没有地面网的时候,通过卫星传输数据,这样整体的资费就比较便宜了。我们测算了一下,通过ORBCOMM卫星发一条位置信息大概是10个字节,也就是1条信息折算下来是1毛钱,这个价格基本上可以接受了。

电源问题

因为我们的设备是用在车上,所以就直接在车辆点烟器上取电了,但是考虑到紧急情况下车辆会熄火,为了方便救援设备还需要持续工作,所以又内置了电池。电池容量先不透漏了,正常情况单电池供电可以用5-8天,紧急情况用3-4天没有问题(紧急情况下,设备发信息的频率提高了)。

回答上面的问题:如果要高频次通过卫星发送数据,肯定要有稳定的电源供应。但是在具体的项目里情况就不一样了,比如我们的设备通过卫星发送信息默认是20分钟发一次,每发一次大概是50mAh。据我所知一些安装在集装箱上的卫星定位设备(在海上跑的集装箱)是一天发一条信息,这样外加一小块太阳能电板就可以保证供电了。

信号问题

目前所有的卫星通讯一个基本的条件是,终端天线需要和卫星建立直连接线,就是中间不能有任何遮挡,一旦有遮挡就连不上了。这样的话,市内肯定是用不了了,城市里也不太好用,偏僻的戈壁滩、海上这些地方用卫星就没有问题。

硬件设备尺寸

你们可能会好奇?这么微弱的信号要接收到,设备要有多大啊?我放几张吧。

先看我们的终端设备:

深圳市新时空智能系统有限公司尺寸图

天线才是关键:

安装在车顶的卫星天线

在卫星主机里集成了GPS和卫星通讯模块,为了使用地面网络传输信息,又搭了一个2G的车辆定位器(这个便宜些)。2G的定位设备做为主设备,通过232协议与卫星模块连接,当搜不到地面网络,就通过卫星终端发数据。关于天基物联网的项目,欢迎讨论!

公司简介:瑞诺信息技术有限公司,成立于2008年,是一群射频爱好者组成的电子公司,地点在广东深圳。当初专门从事设计和制造的无线连接解决方案,其中包括紧凑的短距离射频模块,无线智能的数据链路以及家庭自动化和自动抄表解决方案。我们已经成为低功耗ISM波段的产品在国内的领先供应商之一。产品的特点在于:高品质,高性价比和易于集成。产品频段主要集中在国内外免许可的ISM频段:169/433/470/868/915 MHz和24G)。 我们提供嵌入式无线收发器,嵌入式无线模块,工业无线调制解调器,无线计量适配器,USF射频棒,智能数据采集系统、智能家居云数据的传输系统,天线和定制的电子解决方案。
公司理念
科技现代的社会,信息的大量交互传输,需要通过无线方式的传输,人类对生活质量的要求越来越来高,人们身边的产品和服务都慢慢变得越来越智能,越来越环保,公司基于提升人类生活质量,构建和谐环境,实现智能生活、智能科技、智能人生的目标奋斗、努力。
RF标准
蓝牙20 /40(低能),ZigBee / IEEE802154,ZigBee智能能源,无线M-Bus,FCC,GSM / GPRS。
应用领域
瑞恩无线射频产品被用于各种工控业,例如油田、矿井数据传输,无线智能计量,智能家居,传感器网络,环境监测,智能访问控制,医疗保健以及家庭/楼宇自动化等领域。
SPI模块系列
一、高抗干扰性无线SPI接口模块RON1363(关键字:SI4463模块,微功耗模块,3KM远距离模块、无线模块,无线组网模块)
产品介绍:基于SILABS的SI4463开发的SPI接口模块,具有高功率,高灵敏度的RF模块,模块带有2mm标准接口,对于嵌入式设备和二次开发非常方便,模块是贴片式邮票孔,方便客户贴片和测试评估。
产品特点:
发射功率:100mW(20dbm);
接收灵敏度:-124dbm(500bps/1875K/Dev);
发射电流:90-120mA;
接收电流:14mA,
自带AFC;
64byte FIFO TXRX;
调制模式:ASK/FSK/GFSK
国内ISM频段免费使用
产品尺寸:1616CM
信道抑制:58dbm
SPI接口
空旷地传输距离:3200米(12K速率,5k Dev 15k BW)
应用市场:
1) 远程遥控和远程数据采集系统
2) 无线抄表(水表、电表、气表)
3) 无线点菜机
4) 工业数据采集、传输、智能控制系统
5) 无线报警系统
6) 智能家具系统
7) 婴儿监控系统/医院寻呼系统
8) 油田、矿区、工地、工厂等原有485/232接口系统
9) 无线小数据传输系统
二、高抗干扰性无线SPI接口模块RON1338(关键字:SI4438模块,微功耗模块,24KM远距离模块、无线模块,无线组网模块)
产品介绍:基于SILABS的SI4438开发的SPI接口模块,具有高功率,高灵敏度的RF模块,模块带有2mm标准接口,对于嵌入式设备和二次开发非常方便,模块是贴片式邮票孔,方便客户贴片和测试评估。
产品特点:
发射功率:100mW(20dbm);
接收灵敏度:-120dbm(500bps/1875K/Dev);
发射电流:90-115mA;
接收电流:13mA,
自带AFC;
64byte FIFO TXRX;
调制模式:ASK/FSK/GFSK
国内ISM频段免费使用
产品尺寸:1414CM
信道抑制:56dbm
SPI接口
空旷地传输距离:2400米(12K速率,5k Dev 15k BW)
应用市场:
1) 远程遥控和远程数据采集系统
2) 无线抄表(水表、电表、气表)
3) 无线点菜机
4) 工业数据采集、传输、智能控制系统
5) 无线报警系统
6) 智能家具系统
7) 婴儿监控系统/医院寻呼系统
8) 油田、矿区、工地、工厂等原有485/232接口系统
9) 无线小数据传输系统
三、 高抗干扰性无线SPI接口模块RON1343(关键字:AX5043SPI接口模块,微功耗模块,5KM远距离模块、无线模块,无线组网模块)
产品介绍:基于AXSEM的AX5043开发的SPI接口模块,具有高灵敏度、低功耗的RF模块,模块带有127mm标准接口,
工作频率:433-510MHz(70-1050、868、915MHz可以定制)
发射功率:50mW(17dbm);
接收灵敏度:-132dbm(600bps/05K/Dev,FEC打开);
发射电流:51-54mA;
接收电流:72mA,
自带AFC;
256byte FIFO TXRX;
调制模式:ASK/FSK/GFSK
国内ISM频段免费使用
产品尺寸:15515CM
信道抑制:54dbm
SPI接口
空旷地传输距离:5000米(12K速率,10k Dev 22k BW)
应用市场:
1) 远程遥控和远程数据采集系统
2) 无线抄表(水表、电表、气表)
3) 无线点菜机
4) 工业数据采集、传输、智能控制系统
5) 无线报警系统
6) 智能家具系统
7) 婴儿监控系统/医院寻呼系统
8) 油田、矿区、工地、工厂等原有485/232接口系统
9) 无线小数据传输系统


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