IC-Substrat - Bewertung und Optimierung der Mobilfunkantenne mit einstellbarer Blende

Die elektromagnetische (EM) Umgebung, in der Smartphones und andere tragbare drahtlose Geräte arbeiten, ändert sich oft, und dies wird hauptsächlich durch Benutzeraktionen verursacht. Der Benutzer selbst beeinflusst die Strahlungseigenschaften der Geräteantenne aufgrund der Kopplung zwischen EM und Körper des Benutzers grundlegend. Benutzer verwenden unterschiedliche Wege, daher müssen zufällige Faktoren bei der Entwicklung von Antennen berücksichtigt werden. Drahtlose Verbindungen werden normalerweise durch diese Kopplung beeinträchtigt, und Designer müssen darauf achten, Probleme zu minimieren, die aufgrund unterschiedlicher physikalischer Effekte auftreten können.

Für das Design der abstimmbaren Apertur Antenne, Wir haben eine neuartige Berechnung eingeführt, um die potenzielle Bandbreite und Strahlungseffizienz der Antenne unter verschiedenen Einsatzbedingungen zu bewerten. Dies hilft Konstrukteuren, geeignete Antennendesigns frühzeitig zu bewerten. PCB-Designprozess. Wir importierten das Antennenmuster und die S-Parameter in die Hochfrequenzdesign-Automatisierungssoftware-Plattform OptenniLab, Bewertung der Eigenschaften der Antenne, und synthetisierte ein passende Schaltung zur Optimierung der gesamten Strahlungseffizienz der Antenne.

Für die Apertur-abstimmbare Antenne finden wir zuerst den besten Wert des Apertur-Tuning-Elements, um die theoretische Leistungsgrenze der Antenne zu bewerten, um die maximale Strahlungseffizienz zu erreichen. In den späteren Phasen des Designprozesses optimieren wir den Matching-Schaltkreis und den Tuning-Schaltkreis und vergleichen dann deren Wirkungsgrad mit der besten Strahlungseffizienz.

Simulation model for use case configuration
The main phenomena that affect antenna performance due to being close to the body are:

1) Antenneneinstellung verursacht durch dielektrische Last. Da die dielektrische Last die elektrische Länge der Antenne verlängert, verringert sich die Frequenz der Antenne.

2) Der Verlust, der durch die Aufnahme von Energie durch den Körper verursacht wird. Dieser Verlust wirkt sich direkt auf die Strahlungseffizienz der Antenne aus.

Das Simulationsmodell in diesem Artikel besteht aus der elektrischen kleinen Smartphone-Antenne in Abbildung 1, das bei der Bemessungsfrequenz im Wesentlichen nicht resonant ist. Use ANSYS HFSS EM simulator to simulate antennas in three configurations:
We refer to these configurations as "free space configuration", "Handkonfiguration" und "Kopfkonfiguration".
New performance characteristic diagram for aperture tuning antenna
There are two basic tuning methods for mobile phone antennas, the so-called aperture tuning and impedance tuning (Figure 4). In Blendenstimmung, Die Tunerkomponente ändert die aktuelle Verteilung in der Struktur, dadurch seine Impedanz und seine Strahlungseffizienz beeinträchtigt. Die Fähigkeit zur Optimierung der Strahlungseffizienz ist einer der Hauptgründe für die Popularität der Blendenabstimmung, und wir haben auch eine neue Methode vorgeschlagen, die Antennenleistung in Abhängigkeit von Blendenkomponenten visuell darstellt.
Im OptenniLab, Wenn das normalisierte Strahlungsmuster des elektromagnetischen Simulators zusammen mit der S-Parametermatrix des elektromagnetischen Systems importiert wird, Die Software kann das gesamte Strahlungsmuster berechnen, wenn der Anschlusskreis auf dem Port platziert wird, indem das entsprechende gewichtete Port-Strahlungsmuster überlagert wird. Das resultierende Gesamtstrahlungsmuster kann verwendet werden, um die mit dem Tuner verbundene Strahlungseffizienz direkt zu berechnen, Erleichterung der Untersuchung einiger repräsentativer Tunerkomponentenwerte.

Die Einspeiseport-Impedanz in Abhängigkeit von Tunerkomponenten ist in der Regel keine sehr nützliche Information für kleine nicht-resonante Antennen, da die Antenne nur mit einer Lumpen-Matching-Schaltung arbeiten kann. Stattdessen sollten wir uns fragen, wie weit Bandbreite bei einem bestimmten Referenzrücklaufniveau erreicht werden kann? OptenniLab verfügt über ein Tool zur Berechnung des Bandbreitenpotenzials [1], mit dem jede Frage zum Wert des Blendenelements beantwortet werden kann.

Für Abbildungen 5(a)-(c) haben wir in jeder Umgebungskonfiguration ein "Mapping" für Strahlungseffizienz und verfügbare Bandbreite in Abhängigkeit von mehreren ausgewählten Blendenkomponentenwerten erstellt. Die durch das Bandbreitenpotenzial berechnete Zielrücklaufdämpfung beträgt 10dB.

Physical performance limitations of different configurations
When considering the ultimate performance limits of each configuration, Wir müssen den optimalen Wert der Blendenkomponente finden, um die Strahlungseffizienz zu maximieren. Der optimale Wert hängt vom Frequenzband und der Konfiguration ab. Während wir Optimierungsziele setzen und die Leistung von Designkandidaten bewerten, Es ist sehr nützlich, die letzten Einschränkungen zu verstehen.

In dieser Studie betrachten wir zwei Szenarien: das Satellitennavigations-Frequenzband Beidou B1-2 (ca. 1587-1592MHz) und 3GPP Frequenzband 1 (1920-2170MHz). Bei Single-Apertur-Tunern kann die beste Strahlungseffizienz leicht gefunden werden, indem der Wert der Blendenkomponente angepasst wird – die RF-Design-Automation-Softwareplattform kann die Strahlungseffizienz in Echtzeit neu berechnen. Die Ergebnisse sind wie folgt:

Beidou B1-2

· Freiraum: hrad, max=41% (-3.9dB), L Blende=1.4nH

· Hand: hrad, max=24% (-6.2dB), L Blende=3.4nH

· Kopf: hrad, max=6%(-12.2dB), Blende=offener Kreis

3GPP Band 1

· Freiraum: hrad, max=45% (-3.4dB), L Blende=1nH

· Hand: hrad, max=32%(-5.0dB), L Blende=3nH

· Kopf: hrad, max=6%(-12.2dB), L Blende=5nH

Theoretisch und aktuell passende Schaltung performance
The radiation efficiency gives the physical upper limit of the total efficiency of the antenna at a given frequency. In der Praxis ist es unmöglich, diese physikalische Obergrenze zu erreichen, weil es eine perfekte verlustfreie Impedanzanpassung über das gesamte Frequenzband erfordert. Darüber hinaus, für verschiedene Konfigurationen, die bestmögliche Impedanz passende Schaltung ist nicht unbedingt dasselbe. Unter Berücksichtigung der theoretischen Closed Loop Blende Tuning, in dem sich die Blendenkomponente an Veränderungen in der Umgebung anpasst, Wir können den besten Blendenkomponentenwert für jede Konfiguration annehmen. Aber trotzdem, Wir müssen noch den Kompromiss der Impedanzanpassung auf Frequenzband und Konfiguration akzeptieren.