Подложка ИС - трехгироскопный антенного ускорителя с перекрытием диапазона частот LTE

Источник материала: "Журнал СВЧ" Выпуск Март/Апрель 2019 Время поступления: 2019/3/25 11:02:56

Антенный бустер и антенный тюнер охватывают диапазоны LTE

Аврора Андухар, Хосе Л. Лейва, Fractus Antennas, Хауме Ангуера, Fractus Antennas и Universitat Ramon Llull, а также Кор Шепенс и Роберто Гадди, Cavendish Kinetics

В связи с большим количеством частотных диапазонов LTE для беспроводных устройств требуется множество сложных многочастотных антенных конструкций 1-12. По сравнению с 2G и 3G, где используются только частоты 824-960 и 1710-2170 МГц, одной из главных проблем 4G является большая рабочая полоса частот: 698-960 и 1710-2690 МГц. Более низкие частоты в низкочастотной области, особенно частоты между 698 и 960 МГц, усугубляют проблему, поскольку антенна должна быть мала по сравнению с рабочей длиной волны.

В данной статье описывается сочетание малогабаритного антенного бустера Fractus Antennas объемом 86,4 мм3 и малогабаритного антенного тюнера Cavendish Kinetics площадью всего 2 мм2 для реализации антенной системы, покрывающей частотный диапазон LTE в диапазоне частот от 698 до 2690 МГц.

Бустер + тюнер

Технология Virtual AntennaTM 13-18 основана на использовании очень маленьких антенных элементов, называемых антенными бустерами, что делает ее хорошим способом удовлетворения требований к полосе пропускания  LTE. Использование согласующей сети позволяет не настраивать рабочую полосу частот путем проектирования сложной геометрии антенны, а лишь настроить соответствующую согласующую сеть, что быстрее и экономичнее. Один и тот же антенный бустер может быть адаптирован к различным размерам платформы, поскольку в разных конструкциях меняется только согласующая сеть18. Это отличается от традиционной конструкции антенны, которая должна разрабатываться отдельно для различных геометрических форм в различных ситуациях. Помимо небольших размеров, антенные бустеры являются компонентами поверхностного монтажа, что упрощает их интеграцию в беспроводные устройства.

Антенный бустер размером 12 мм*3 мм*2,4 мм устанавливается в углу печатной платы смартфона.

Антенные тюнеры представляют собой прецизионные переменные конденсаторы с малыми потерями, способные выдерживать высокие ВЧ-напряжения. Они идеально подходят для перестраиваемых антенн, динамических нагрузочных тюнеров, перестраиваемых фильтров и аналоговых ВЧ-приложений, требующих работы с высоким напряжением. Антенные тюнеры Cavendish Kinetics используют запатентованную технологию RF MEMS для устранения высоких вносимых потерь и ограничений на обработку ВЧ напряжения, характерных для традиционных ВЧ фронтов на кремнии-на-изоляторе (SOI) или GaAs.

Комбинированная конструкция антенного усилителя Fractus и антенного тюнера Cavendish Kinetics поддерживает все диапазоны частот связи 19-20 в диапазоне частот от 698 до 2690 МГц. Основное преимущество такой комбинации усилителя и тюнера заключается в том, что беспроводные устройства могут динамически оптимизировать работу определенной полосы частот во всем частотном диапазоне и обеспечить платформе максимальное излучение для каждого сценария покрытия и использования пользователем.

Устройства, изготовленные с использованием технологии RF MEMS и производственного процесса Cavendish Kinetics, обладают высокой точностью и надежностью и могут удовлетворять всем спецификациям 21-22 даже после 100 млрд. циклов использования. Антенный тюнер 32CK301R SmarTune™ (см. табл. 1) Используется для демонстрации концепций проектирования, изложенных в данной статье. Доступны изделия с более широким диапазоном емкостей. Серии тюнеров Cavendish Kinetics имеют различные диапазоны емкостей от 0,4 до 3 пФ. Все антенные тюнеры SmarTune управляются через интерфейс MIPI RFFE (см. рис. 2). Функционирование тюнера является независимым и управляется логической схемой в контроллере.

Предлагаемая в данной работе реконфигурируемая согласующая сеть включает в себя МЭМС-перестраиваемый конденсатор (Z2) и семь единичных конденсаторов и индукторов. В данной конструкции все пассивные компоненты фирмы Murata выполнены по типу SMD 0402 с высоким значением добротности и строгими допусками. Перестраиваемый конденсатор имеет 32 состояния, управляемых цифровым способом, и каждому состоянию соответствует значение емкости от 0,4 до 1 пФ. В данной конструкции соответствующее соотношение между значением и состоянием составляет 0,40 (S00), 0,44 (S02), 0,55 (S08) и 0,92 пФ (S27).

Импедансная характеристика антенного усилителя без согласующей сети очень плохая, особенно на низких частотах, от 698 до 960 МГц, где |S11| меньше -1 дБ17. Однако с помощью многодиапазонной согласующей сети можно легко регулировать характеристики без изменения геометрии антенны. Положение антенного усилителя важно для возбуждения эффективной диаграммы направленности излучения на плоскости земли. В данной конструкции был выбран угол 16-17 плоскости земли.

Управление состоянием перестраиваемого конденсатора осуществляется программно через параллельный интерфейс, расположенный на торце плоскости земли. С помощью этого интерфейса оценочная плата подключается к компьютеру с программным обеспечением SkyWalker компании Cavendish Kinetics, которое используется для установки тюнера импеданса в любое из 32 состояний.

Поскольку плоскость земли вносит существенный вклад в излучение, во избежание негативного воздействия на интерфейсное соединение при измерении характеристик антенны используется следующая процедура: через интерфейс подключения выбирается нужное состояние импедансного тюнера. После установки состояния интерфейсное соединение снимается, и батарея на плоскости заземления подает на тюнер постоянное напряжение для поддержания состояния. Таким образом, на измерения эффективности антенны и S11 интерфейсное соединение не влияет.

Оценочная плата предназначена для агрегации несущих (CA), которая позволяет одновременно использовать несколько частотных диапазонов  LTE для увеличения скорости передачи данных. В табл. 4 приведены рекомендуемые состояния антенного тюнера для каждой междиапазонной пары CA.