Substrato IC - Valutazione e ottimizzazione dell'antenna cellulare con apertura sintonizzabile

L'ambiente elettromagnetico (EM) in cui operano smartphone e altri dispositivi wireless portatili cambia spesso, e questo è causato principalmente dalle azioni degli utenti. L'utente stesso influenzerà fondamentalmente le caratteristiche di radiazione dell'antenna del dispositivo a causa dell'accoppiamento tra l'EM e il corpo dell'utente. Gli utenti utilizzano modi diversi, quindi i fattori casuali devono essere considerati quando si progettano antenne. I collegamenti wireless sono solitamente degradati da questo accoppiamento, e i progettisti devono fare attenzione a ridurre al minimo eventuali problemi che possono verificarsi a causa di diversi effetti fisici.

Per la progettazione dell'antenna ad apertura sintonizzabile, abbiamo introdotto un nuovo calcolo per valutare la larghezza di banda potenziale e l'efficienza di radiazione dell'antenna in diverse condizioni di utilizzo. Ciò aiuterà i progettisti a valutare le progettazioni di antenne adatte all'inizio del processo di progettazione PCB. Abbiamo importato il modello dell'antenna e i parametri S nella piattaforma software di automazione della progettazione di radiofrequenza OptenniLab, valutato le caratteristiche dell'antenna e sintetizzato un circuito corrispondente per ottimizzare l'efficienza totale della radiazione dell'antenna.

Per l'antenna sintonizzabile dell'apertura, troviamo innanzitutto il miglior valore dell'elemento sintonizzatore dell'apertura per valutare il limite teorico di prestazione dell'antenna, in modo da ottenere la massima efficienza di radiazione. Nelle fasi successive del processo di progettazione, ottimizziamo il circuito di corrispondenza e il circuito di sintonizzazione e quindi confrontiamo la loro efficienza con la migliore efficienza di radiazione.

Modello di simulazione per la configurazione del caso d'uso I principali fenomeni che influenzano le prestazioni dell'antenna a causa della vicinanza al corpo sono:

1) Detuning dell'antenna causato dal carico dielettrico. Poiché il carico dielettrico allunga la lunghezza elettrica dell'antenna, la frequenza dell'antenna diminuirà.

2) La perdita causata dall'assorbimento di potere da parte del corpo. Questa perdita influisce direttamente sull'efficienza di radiazione dell'antenna.

Il modello di simulazione in questo articolo consiste nell'antenna elettrica del piccolo smartphone mostrata nella Figura 1, che è essenzialmente non risonante alla frequenza di progettazione. Utilizzare ANSYS HFSS EM simulatore per simulare antenne in tre configurazioni: Ci riferiamo a queste configurazioni come "configurazione dello spazio libero", "configurazione della mano" e "configurazione della testa". Nuovo diagramma delle caratteristiche delle prestazioni per le antenne di sintonizzazione dell'apertura Esistono due metodi di sintonizzazione di base per le antenne del telefono cellulare, la cosiddetta sintonizzazione dell'apertura e la sintonizzazione dell'impedenza (Figura 4). Nella sintonizzazione dell'apertura, il componente sintonizzatore cambierà la distribuzione della corrente nella struttura, influenzando così la sua impedenza e la sua efficienza di radiazione. La capacità di ottimizzare l'efficienza delle radiazioni è una delle ragioni principali della popolarità della sintonizzazione dell'apertura, e abbiamo anche proposto un nuovo metodo che presenta visivamente le prestazioni dell'antenna in funzione dei componenti dell'apertura. In OptenniLab, quando il modello di radiazione normalizzato del simulatore elettromagnetico viene importato insieme alla matrice dei parametri S del sistema elettromagnetico, il software può calcolare il modello di radiazione totale quando il circuito terminale è posizionato sulla porta sovrapponendo il modello di radiazione ponderato appropriato della porta. Il modello di radiazione totale risultante può essere utilizzato per calcolare direttamente l'efficienza di radiazione associata al sintonizzatore, facilitando lo studio di alcuni valori rappresentativi dei componenti del sintonizzatore.

L'impedenza della porta di alimentazione in funzione dei componenti del sintonizzatore di solito non è un'informazione molto utile per piccole antenne non risonanti, perché l'antenna è progettata per funzionare solo con un circuito combinato di corrispondenza. Dovremmo invece chiederci quale larghezza di banda può essere ottenuta a un dato livello di perdita di ritorno di riferimento? OptenniLab dispone di uno strumento di calcolo del potenziale larghezza di banda [1], che può aiutare a rispondere a qualsiasi domanda sul valore dell'elemento di apertura.

Per le figure 5(a)-(c), in ogni configurazione ambientale, abbiamo costruito una "mappatura" per l'efficienza delle radiazioni e la larghezza di banda disponibile in funzione di diversi valori selezionati dei componenti dell'apertura. Il livello di perdita di ritorno target calcolato dal potenziale di larghezza di banda è di 10dB.

Limitazioni di prestazioni fisiche delle diverse configurazioniQuando si considerano i limiti di prestazioni finali di ogni configurazione, dobbiamo trovare il valore ottimale del componente dell'apertura per massimizzare l'efficienza della radiazione. Il valore ottimale dipende dalla banda di frequenza e dalla configurazione. Nel fissare obiettivi di ottimizzazione e valutare le prestazioni dei candidati alla progettazione, è molto utile comprendere i limiti finali.

In questo studio consideriamo due scenari: la banda di frequenza di navigazione satellitare Beidou B1-2 (circa 1587-1592 MHz) e la banda di frequenza 3GPP 1 (1920-2170 MHz). Per i sintonizzatori a singola apertura, la migliore efficienza di radiazione può essere facilmente trovata regolando il valore del componente di apertura: la piattaforma software di automazione di progettazione RF può ricalcolare l'efficienza di radiazione in tempo reale. I risultati sono i seguenti:

Beidou B1-2

Spazio libero: hrad, max=41% (-3.9dB), L apertura=1.4nH

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

· Testa: hrad, max=6%(-12.2dB), apertura=circuito aperto

3GPP banda 1

Spazio libero: hrad, max=45% (-3.4dB), L apertura=1nH

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

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

Prestazioni teoriche ed effettive del circuito di corrispondenza L'efficienza di radiazione dà il limite fisico superiore dell'efficienza totale dell'antenna ad una data frequenza. È impossibile raggiungere questo limite fisico superiore in pratica, perché richiede una perfetta corrispondenza di impedenza senza perdita su tutta la banda di frequenza. Inoltre, per configurazioni diverse, il miglior circuito di corrispondenza dell'impedenza possibile non è necessariamente lo stesso. Considerando la sintonizzazione teorica dell'apertura a circuito chiuso, in cui la componente dell'apertura si adatta ai cambiamenti dell'ambiente, possiamo assumere il miglior valore del componente dell'apertura per qualsiasi configurazione. Ma anche così, dobbiamo ancora accettare il compromesso di corrispondenza dell'impedenza sulla banda di frequenza e sulla configurazione.