Tecnología de sustrato IC - Evaluación y optimización de la antena móvil de apertura sintonizable

Los entornos electromagnéticos (EM) en los que operan los teléfonos inteligentes y otros dispositivos inalámbricos portátiles a menudo cambian debido a las operaciones de los usuarios. Debido al acoplamiento entre em y el cuerpo del usuario, el propio usuario afectará fundamentalmente las características de radiación de la antena del dispositivo. Los usuarios utilizan diferentes métodos, por lo que los factores aleatorios deben ser considerados en el diseño de la antena. Los enlaces inalámbricos suelen degradarse debido a este acoplamiento, y los diseñadores deben tener cuidado de minimizar cualquier problema que pueda surgir debido a diferentes efectos físicos.

Diseño de antenas de apertura sintonizables, Se introduce un nuevo método de cálculo para evaluar el ancho de banda potencial y la eficiencia de la radiación de la antena en diferentes condiciones de uso.. Esto ayudará a los ingenieros de diseño a evaluar el diseño adecuado de la antena en una etapa temprana Proceso de diseño de PCB. Introducimos el patrón de antena y los parámetros s en la Plataforma de software de automatización de diseño RF optennilab, Se evalúan las características de la antena., Y sintetizó a Circuito de coincidencia Optimización de la eficiencia radiativa total de la antena.

Para la antena sintonizable de apertura, primero encontramos el valor óptimo de los elementos sintonizables de apertura para evaluar el límite teórico de rendimiento de la antena, con el fin de lograr la máxima eficiencia de radiación. En la última parte del proceso de diseño, optimizamos el circuito de emparejamiento y el circuito de sintonía, y luego comparamos su eficiencia con la eficiencia de radiación óptima.

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

Desajuste de la antena causado por la carga dieléctrica. Debido a que la carga dieléctrica aumenta la longitud eléctrica de la antena, la frecuencia de la antena se reducirá.

Pérdida causada por la absorción de energía por el cuerpo. Esta pérdida afecta directamente a la eficiencia de la radiación de la antena.

El modelo de simulación en este trabajo consiste en la antena de smartphone eléctrico miniatura que se muestra en la figura 1., Básicamente no resonante a la frecuencia de diseño. Use ANSYS HFSS EM simulator to simulate antennas in three configurations:
We refer to these configurations as "free space configuration", Configuración manual y configuración de cabecera.
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). Ajuste de la abertura, El componente sintonizador cambiará la distribución actual en la estructura, Por lo tanto, la impedancia y la eficiencia de la radiación se ven afectadas.. La capacidad de optimizar la eficiencia de la radiación es una de las principales razones de la popularidad del ajuste de la abertura, También proponemos un nuevo método para representar directamente el rendimiento de la antena en función del componente de apertura..
En optennilab, Cuando el modo de radiación normalizado del simulador electromagnético se introduce junto con la matriz de parámetros S del sistema electromagnético, Cuando el circuito terminal se coloca en el puerto, el software puede calcular el modo de radiación total superponiendo el modo de radiación de Puerto ponderado apropiado. El modo de radiación total obtenido puede utilizarse para calcular directamente la eficiencia de la radiación relacionada con el sintonizador., Promover el estudio de los valores representativos de los componentes del sintonizador.

La impedancia del puerto de alimentación, en función del componente sintonizador, no suele ser muy útil para antenas pequeñas no resonantes, ya que las antenas están diseñadas para funcionar sólo con circuitos agrupados coincidentes. En su lugar, debemos preguntar qué ancho de banda se puede obtener a un determinado nivel de pérdida de eco de referencia. Optennilab tiene una herramienta de cálculo del potencial de ancho de banda [1], que puede ayudar a responder a cualquier pregunta sobre los valores de los elementos de apertura.

Para las figuras 5 a) a c), en cada configuración ambiental, construimos un "Map a" de la eficiencia de la radiación y el ancho de banda disponible en función de los valores de varios componentes de apertura seleccionados. El nivel de pérdida de eco calculado por el potencial de ancho de banda es de 10 DB.

Physical performance limitations of different configurations
When considering the ultimate performance limits of each configuration, Debemos encontrar el valor óptimo del componente de apertura para maximizar la eficiencia de la radiación. El valor óptimo depende de la banda de frecuencia y la configuración. Cuando fijamos objetivos de optimización y evaluamos el rendimiento de los diseños candidatos, Es útil entender las últimas limitaciones.

En este estudio, se consideran dos escenarios: la banda de navegación por satélite Beidou B1 - 2 (aproximadamente 1587 - 1592mhz) y la banda 3gpp 1 (1920 - 2170mhz). Para un sintonizador de apertura única, la eficiencia de radiación óptima se puede encontrar fácilmente ajustando el valor del componente de apertura. La Plataforma de software de automatización de diseño de radiofrecuencia puede recalcular la eficiencia de radiación en tiempo real. Los resultados son los siguientes:

Beidou B1 - 2

Espacio libre: hrad, Máximo = 41% (- 3,9 DB), apertura L = 1,4 NH

Mano: hrad, Máximo = 24% (- 6,2 DB), abertura L = 3,4 NH

· cabeza: hrad, Máximo = 6% (- 12,2 DB), apertura = circuito abierto

3gpp Band 1

Espacio libre: hrad, Máximo = 45% (- 3,4 DB), apertura L = 1 NH

Mano: hrad, Max = 32% (- 5,0 DB), abertura L = 3nh

· cabeza: hrad, Máximo = 6% (- 12,2 DB), abertura L = 5 NH

Teoría y práctica Circuito de coincidencia performance
The radiation efficiency gives the physical upper limit of the total efficiency of the antenna at a given frequency. En la práctica, no es posible alcanzar el límite superior físico, Porque requiere un ajuste perfecto de impedancia sin pérdidas en toda la banda de frecuencia. Además, Para diferentes configuraciones, Impedancia óptima Circuito de coincidencia No tiene que ser lo mismo.. Considerar el ajuste teórico de la abertura de circuito cerrado, El componente de apertura se adapta al cambio del entorno, Podemos asumir el valor óptimo del componente de apertura para cualquier configuración. Pero aun así, Todavía tenemos que aceptar el compromiso de emparejamiento de impedancia en banda y configuración.