5G e le sfide di progetto delle antenne

La sintonizzazione dell'apertura di un'antenna è essenziale per consentire agli smartphone di operare in modo efficiente su una gamma sempre crescente di bande di frequenze RF e supportare la transizione al 5G. Gli smartphone hanno bisogno di sempre più antenne per supportare i crescenti requisiti RF come nuove bande 5G, l'uso di tecniche MIMO e di Carrier Aggregation (CA). Ma per queste antenne c'è sempre meno spazio a causa dei cambiamenti nel design degli smartphone. In questo articolo vedremo come la sintonizzazione dell'apertura di un'antenna sia in grado di compensare la potenziale riduzione di efficienza e larghezza di banda dovute ai nuovi requisiti di progettazione.

Introduzione

L'efficienza dell'antenna gioca un ruolo fondamentale nel complesso delle prestazioni RF di uno smartphone. Tuttavia, le attuali tendenze nei requisiti RF, soprattutto in vista della transizione al 5G, implicano il dover inserire più antenne in meno spazio. Di conseguenza, le dimensioni delle antenne si stanno riducendo, il che riduce la loro efficienza. Se questo problema non viene compensato, la ridotta efficienza può influire sulle prestazioni in trasmissione e ricezione, con conseguente minore durata della batteria, inferiori data rate e problemi di connettività. La sintonizzazione dell'apertura compensa questo problema consentendo alle antenne di essere ottimizzate per operare in modo efficiente su più bande e aumentando le prestazioni in trasmissione e ricezione di 3 dB o più. La sintonizzazione dell'apertura è implementata grazie ad interruttori combinati con altri componenti di regolazione; interruttori con RON basso e un basso COFF sono fondamentali per massimizzare l'efficienza. La regolazione dell'apertura consente inoltre alle antenne di comunicare su più bande contemporaneamente per supportare la tecnica CA. L'implementazione della sintonizzazione dell'apertura richiede una conoscenza approfondita di come applicare la tecnologia per ogni applicazione.

Alcune nozioni

Di seguito alcune nozioni preliminari potrebbero aiutare a capire meglio l'articolo.

L'apertura Aw di un'antenna è un parametro definito appositamente per la ricezione delle antenne. È una misura della potenza massima ricevuta Pr che un'antenna può captare da un'onda piana con densità di potenza S:

Pr,max = S x Aw

Sebbene l'apertura di un'antenna possa essere concepita come un'area perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda incidente, non è necessariamente identica all'area geometrica dell'antenna.

La larghezza di banda di un’antenna è definita come quell’intervallo di frequenze all’interno delle quali le prestazioni dell’antenna (riferite a una determinata caratteristica) si mantengono entro un determinato standard. La capacità di un canale di comunicazione (limite superiore alla quantità di informazione che può trasmettere in maniera affidabile) può essere aumentata aumentando la larghezza di banda. Se pensiamo alla larghezza di banda come alla larghezza di un'autostrada, possiamo pensare alla tecnica MIMO come alla possibilità di aggiungere livelli in altezza a questa autostrada. In questo modo la capacità di canale aumenta ulteriormente ma a banda costante. A differenza dei sistemi SISO, costituiti da un'antenna per ricevere e una per trasmettere, i sistemi MIMO presentano molte antenne in ricezione ed in trasmissione. Un livello MIMO può essere pensato come un flusso di dati dedicato. Più flussi MIMO producono un maggiore throughput. Inoltre, i flussi possono essere associati a utenti diversi aumentando copertura e capacità del sistema. La Carrier Aggregation (CA) è una tecnica di combinazione di più flussi di dati per migliorare il throughput. Possiamo pensare a questa tecnica come alla capacità di prendere lo spettro e combinarlo in un'autostrada. Più spettro si ha a disposizione, più portanti si possono combinare e più ampia sarà l'autostrada.

Le richieste del 5G

Il passaggio al 5G, con la consueta ricerca di velocità di trasmissione dati sempre più elevate, determinerà un aumento significativo del numero tipico di antenne in ciascun ricevitore. Le due principali tecniche per ottenere velocità di trasmissione dati più elevate, la Carrier Aggregation (CA) e la MIMO (Multiple Input Multiple Output), richiedono più antenne che operino contemporaneamente. Il 5G sposterà questa tendenza ulteriormente in avanti a causa della necessità di quattro canali di down link indipendenti per la maggior parte delle bande, richiedendo che i telefoni includano almeno quattro antenne per le comunicazioni cellulari.

Allo stesso tempo, le antenne dei telefoni dovranno supportare una gamma più ampia di bande di frequenza, in gran parte a causa dell'introduzione di nuove bande 5G. I telefoni 5G potrebbero dover supportare frequenze a partire da 600 MHz per arrivare fino a 6 GHz. Per supportare questi requisiti e le tecnologie Wi-Fi, GPS e Bluetooth, il numero tipico di antenne aumenterà dalle 4-6 presenti nei telefoni LTE di oggi per arrivare alle 6-10 negli smartphone 5G. Diverrà quindi sempre più difficile inserire tutte queste antenne nello spazio limitato disponibile.

Ad aggravare il problema, lo spazio disponibile per le antenne si sta riducendo man mano che i produttori modificano il design dei dispositivi e aggiungono nuove funzionalità. Un cambiamento fondamentale è il passaggio ai telefoni a schermo intero (Figura 1), in cui il display occupa quasi l'intera faccia del telefono; di conseguenza, c'è meno spazio disponibile fuori dallo schermo per le antenne del cellulare. I produttori stanno anche aggiungendo più fotocamere, riducendo ulteriormente lo spazio disponibile all'interno del telefono.

Figura 1: Il cambio di design negli smartphone ha causato la riduzione dello spazio disponibile per le antenne. L'introduzione del 5G ha portato all'aumento del numero di antenne in ogni dispositivo. Tutto ciò rende complesso progettare antenne efficienti.

La necessità di inserire più antenne in meno spazio significa che le antenne devono diventare più piccole e la riduzione delle dimensioni si traduce in una minore efficienza dell'antenna. I modelli di simulazione di un'antenna ideale hanno dimostrato come l'efficienza dell'antenna diminuisce nei telefoni a schermo intero nel momento in cui lo spazio tra l'elemento radiante posto nella parte superiore del telefono e il suolo (situato sul bordo dello schermo) si restringe. Il maggior numero di antenne, combinato con le loro dimensioni ridotte, significa anche che il ricevitore è più sensibile a effetti temporanei causati da cambiamenti nel suo ambiente, come maneggiare il telefono. Questi effetti transitori possono includere una riduzione dell'efficienza e cambiamenti nella risposta in frequenza.

Parametri su cui operare

In questo panorama complicato, i progettisti sono chiamati ad intervenire per ridurre l'impatto della dimensione ridotta dell'antenna sull'efficienza e sulla larghezza di banda. Se la dimensione dell'antenna rimane costante, maggiore efficienza può essere ottenuta in cambio di una minore larghezza di banda. Nei telefoni di vecchia generazione con antenne più grandi, questo compromesso poteva essere accettabile perché l'antenna poteva ancora soddisfare i requisiti di prestazioni supportando una gamma più ampia di bande. Ma con la riduzione delle dimensioni dell'antenna, questo compromesso non è più possibile; con i nuovi design a schermo intero, l'antenna può raggiungere i richiesti livelli di efficienza solo su una gamma ristretta di frequenze. Pertanto, per operare nell'ampia gamma di frequenze richiesta negli attuali modelli di telefoni, l'antenna deve essere sintonizzata per funzionare in modo efficiente su ciascuna frequenza.

Sintonizzazione dell'apertura

Oggi, la sintonizzazione dell'apertura è il metodo principale utilizzato nei telefoni per superare i problemi causati dalla riduzione dell'area e dell'efficienza dell'antenna. È essenziale consentire agli smartphone di supportare la gamma sempre più ampia di bande di frequenza, soprattutto con il passaggio al 5G. La sintonizzazione dell'apertura può avere un grande impatto sull'efficienza dell'antenna sia per la trasmissione che per la ricezione delle comunicazioni, migliorando la potenza totale irradiata (TRP) e la sensibilità isotropica totale (TIS) di 3 dB o anche di più a seconda dell'applicazione. Il concetto di sintonizzazione dell'antenna è mostrato nella Figura 2. Un interruttore è collegato tra l'antenna e la massa ed utilizzato per regolare la frequenza di risonanza dell'antenna in modo che corrisponda alla frequenza che il telefono sta attualmente utilizzando per comunicare. [...]

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