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手机5G天线设计

时间:2020-08-15 15:05:23 来源:安威无线 点击:

5G即将来临。对于用户来说,实现高数据速率通信的更高速度和进行实时交互的更低延迟的承诺引人入胜。这种结合不仅将提供新的视频格式(例如360度视频)(到2023年,视频流量预计将占所有移动数据流量的73%),还将启用新技术,例如自动驾驶,增强或虚拟现实交互以及触觉互联网,其应用范围从工业自动化和运输系统到医疗保健,教育和游戏。

手机天线设计一直是工程师面临的挑战,设计支持新5G频段的天线将进一步提高标准。两个频率范围最受关注:低于6 GHz频段的通信的频率范围1和高于24 GHz的毫米波频率的通信的频率范围2。某些频带仍在讨论中,确切的频率指定会因地理位置而异。最初的移动电话集成将集中在6 GHz以下天线上,考虑毫米波支持,最初将提供宽带链接到家庭或其他固定基础设施,然后在不久的将来将其引入移动电话。                             

 
 
设计挑战
 
通常,仿真在设计天线中起着基本作用,尤其是对于设计紧凑型移动设备中的高度定制化,个性化定制的天线而言。但是,在两个频率范围内的挑战是不同的。
 
▅ 6 GHz以下天线
 
低于6 GHz的天线必须在紧凑型手机的环境中进行设计,以适应所有其他组件中可用的空间,这些组件紧密地包装在设计团队指定的外形尺寸中。当然,不仅需要具备5G功能的天线。5G将与现有的4G,3G和Wi-Fi通信渠道一起使用。这增加了电话中要集成的天线的数量,特别是因为大多数这些标准还包括对大规模输入大规模输出(MIMO)多天线操作的支持。即使单个元件可以同时满足不同的标准,仍然需要至少容纳六打天线。
 
在紧凑的紧凑型电话中很难找到天线的空间
 
天线不仅在传统意义上充当独立的“天线”,而且与电话的其余部分之间也有着很强的互动性。了解天线的共振行为非常重要,因为天线会将能量耦合到自然的电话共振中。这些在很大程度上取决于内部结构的确切配置,该结构可以在设计周期内变化。
 
与电话谐振的耦合很大程度上取决于天线的位置
 
手机中天线的位置以及彼此之间的最佳位置对它们的性能至关重要。几毫米的位置变化将使性能良好和性能较差的系统有所不同。天线工程师必须能够快速响应设计变更。如果要在较短的设备设计周期的紧缩时间内获得良好的天线设计,则立即访问设计变更描述,有效的仿真模型设置工作流程以及有效的仿真算法,都非常重要。

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▅ 毫米波天线
 
随着移动数据业务需求的增长,将需要毫米波通信来补充6 GHz以下的大规模MIMO。移动设备中毫米波天线集成的研究正在进行中。28 GHz或更高频率的天线物理尺寸很小,因此使用芯片集成阵列(通常包含四个元素)是一个有趣的选择。这些天线具有很高的增益并支持多束波束,因此解决了在电话周围各个方向提供高质量数据链路的设计目标。
 
将芯片天线放置在塑料盖后会大大改变其辐射性能
 
来自2 mm厚ABS塑料盖后面的天线的辐射
 
在这种情况下,天线设计没有像低频那样紧密地耦合到整个电话结构。相反,挑战变成了将天线集成到设备中位于盖后面的问题之一,该设备在毫米波频率下不再电薄,因此对天线的辐射性能产生重大影响。在航空航天工业中用于天线罩设计的技术可以在这里找到应用。通过设计覆盖物的几何形状以在本地充当透镜,可以将天线有效地集成在塑料或玻璃覆盖物的后面,甚至可以通过包括电磁窗(可能基于频率选择性表面(FSS)设计原则)在金属覆盖物的后面进行集成。该方法实质上改善了辐射图并改善了扫描行为。
 
放置在带有金属外壳的电话中的芯片(顶部和底部)和插槽(侧面)阵列天线
 
▅ 平衡性能和安全性
 
对于在人员附近使用的任何设备,确保用户的安全至关重要。在将产品投放市场之前,必须满足人体暴露于辐射场的认证标准。在低于6 GHz的频率下,适用现有的比吸收率(SAR)标准。在毫米波频率下,进入人体的磁场很小。大部分能量都被反射,并且进入人体的大部分场都在表面3 mm内消散,因此SAR不适用于人体暴露。而是建议在距设备一定距离的表面上测量功率流。
 

可以在6 GHz以下的频率上使用标准SAR评估,而在毫米波频率下较弱的场穿透力则使功率流评估更为合适
 
▅ 结论
 
高数据速率,低延迟通信即将在您的手机上进行。高效的高性能天线是确保高质量连续通信链路的关键因素。平衡性能和安全合规性需要对电话和用户进行准确的建模,这不仅需要通过电磁方式,而且还需要跨物理学科。
 
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