Das Antennendesign eines 5G-Mobilgeräts muss speziell berücksichtigt werden, um die Leistung aufrechtzuerhalten.Die gesamte Leistung wird von der Masseebene, der Antennenpositionierung auf der Platine und anderen zugehörigen Komponenten beeinflusst.Die von drahtlosen Geräten benötigte Zuverlässigkeit wird durch Analysen und Korrekturen von Beginn des Designs an ermöglicht.Damit Smartphones über eine größere Vielfalt von HF-Frequenzbändern gut funktionieren und den Übergang zu 5G und anderen Technologien unterstützen, ist die Abstimmung der Apertur einer Antenne von entscheidender Bedeutung.Um den wachsenden HF-Anforderungen gerecht zu werden, wie z. B. die Verwendung von MIMO-Verfahren (Multiple Input, Multiple Output) und CA-Methoden (Carrier Aggregation), erfordern Smartphones eine zunehmende Anzahl von Antennen.Da Smartphones jedoch immer kleiner werden, bleibt für diese Antennen immer weniger Fläche.Aufgrund der aktuellen Entwicklungen bei der HF-Nachfrage müssen mehr Antennen auf weniger Fläche passen.Da dies hauptsächlich vom Formfaktor des endgültigen Geräts und den Präferenzen der OEMs abhängt, ist das Antennendesign bei weitem der verwirrendste Schritt in diesem Prozess.Die Mobilfunkbranche setzt ihre Entwicklung hin zu höheren Datenraten, geringerer Latenz und maximaler Leistung fort.5G entwickelt sich aus 4G, indem es einige Verbesserungen in seiner Architektur implementiert, so dass es die Kanalkapazität, ausgedrückt in Bits/Sekunde, gemäß der Shannon-Hartley-Formel erhöht: C = M × B log2(1 + S/N).Die Parameter der Formel werden von CA, MIMO-Designs, der Bestimmung zusätzlicher Frequenzbänder, der adaptiven Übernahme von Modulationstechniken höherer Ordnung und anderen Faktoren zur Steigerung der Kanalkapazität beeinflusst.CA ist eine Methode zum Zusammenführen zahlreicher Datenströme zur Leistungssteigerung.MIMO-Systeme enthalten mehrere Antennen zum Empfangen und Senden, im Gegensatz zu SISO-Systemen, die jeweils nur eine Antenne haben.Im Vergleich zu 4G bringt 5G das Design auf die nächste Stufe der Komplexität und Kapazität.Infolgedessen muss das Antennendesign weiterentwickelt werden, um den ständig steigenden Anforderungen nach mehr Bandbreite, mehr Frequenzbändern und verbesserter Störfestigkeit gerecht zu werden.Mit 5G wird die normale Anzahl von Antennen jedes Empfängers deutlich steigen.Mehrere Antennen müssen gleichzeitig aktiv sein, um die beiden Hauptmethoden zum Generieren größerer Datenraten zu verwenden: CA und MIMO.Aufgrund der Anforderung, mehr Antennen in einem kleineren Bereich unterzubringen, muss die Antennengröße verringert werden, was die Antenneneffizienz verringert.Für alle Geräte, die in anspruchsvolleren Anwendungsfällen mehr Daten an mehr Menschen übertragen möchten, ist das HF-Schaltungsdesign ein Engpass.Moderne drahtlose Geräte verwenden im Allgemeinen aktive Tuner, um die Größe aufgrund strenger Größenbeschränkungen zu verringern.Entsprechend Änderungen in der Betriebsumgebung, dem Frequenzband und der Bandbreitenabdeckung kann das System die Antenne autonom abstimmen.Mehrere Abstimmzustände und ein größeres Frequenzspektrum pro Abstimmzustand müssen vom Antennenabstimmsystem unterstützt werden.Zwei grundlegende Frequenzbänder, FR1 und FR2, werden gemäß 3GPP Release 15 für 5G verwendet (FR2 [mmWave]: 24,25 bis 52,6 GHz; FR1: 410 MHz bis 7,125 GHz).Zusätzlich zu den aktuellen Sub-3-GHz-Frequenzen, die in 4G LTE verwendet werden, verwendet 5G die Bänder 3,3– bis 3,8–, 3,8– bis 4,2– und 4,4– bis 4,9–GHz in FR1.Infolgedessen müssen Mobilfunkantennen jetzt überarbeitete Spezifikationen für eine verbesserte Sub-6-GHz-Frequenzabdeckung erfüllen.Das Entwerfen von Antennen ist ein physikalisches Problem.Die Wellenlänge eines 1-GHz-Signals beträgt etwa 30 cm.Die Wellenlänge eines Signals bei 28 GHz beträgt 1,07 cm.Dieselbe Antenne funktioniert für diese beiden Signale nicht, sodass mindestens zwei Antennensätze für 5G-Geräte erforderlich sind, die sowohl im FR1- als auch im FR2-Band laufen.Skalierbare orthogonale Frequenzmultiplex-Wellenformen werden in 5G verwendet, um unterschiedliche Zwischenträgersignalabstände und die Vielzahl von Kanalbreiten zu handhaben, die über verschiedene Frequenzbänder verfügbar sind.Größere Zwischenträgerabstände und breitere Kanäle sind bei höheren Frequenzen verfügbar.Kanalbreiten und Zwischenträgerabstand sind für niedrigere Frequenzen kleiner.Antennenkonstruktionen für FR2 nutzende Geräte oder Systeme müssen sich wesentlich unterscheiden.Bei Übertragungen im Millimeterwellenbereich (mmWave) treten erhebliche Streckenverluste auf, da der Ausbreitungsverlust eines Signals umgekehrt proportional zu seiner Wellenlänge ist.Die Erhöhung des Antennengewinns durch Phased-Array-Antennendesign wird zu einem zuverlässigen, branchenweit anerkannten Mittel, das wir im nächsten Abschnitt untersuchen werden, um den Pfadverlust auszugleichen.Wie bereits erwähnt, erfordert die MIMO-Funktion mehrere Antennen.4G-Netzwerke haben Einzelbenutzer-MIMO (SU-MIMO) und Mehrbenutzer-MIMO (MU-MIMO) verwendet, zwei Formen ähnlicher Technologie.MIMO gibt es in verschiedenen Formen.Eines davon ist Massive MIMO (mMIMO), ein Antennentyp, der viel mehr Antennenkomponenten auf engstem Raum unterbringt als frühere MIMO-Versionen.Da Millimeterwellenlängen mit erheblich kleineren Antennen betrieben werden können, ist es möglich, kompakte mMIMO-Arrays zu konstruieren.Hersteller entwickeln mMIMO-Antennen mit 128 Elementen.Datenrate und Verbindungszuverlässigkeit erhöhen sich dank der Verwendung mehrerer Datenströme durch mMIMO, wodurch die Signalkapazität erhöht wird, ohne mehr Spektrum zu verwenden.mMIMO wird eine entscheidende Komponente bei der Verbesserung der Zellkapazität und der Datendownloadrate sein.Darüber hinaus erfordert die Aufrechterhaltung der Verbindungsreichweite die Lösung neuer Probleme, die durch die Konsistenz der Bluetooth/WLAN-Kommunikation entstehen.Sub-6-GHz- und mmWave-5G-Antennen fallen basierend auf ihrer Betriebsfrequenz in diese beiden Gruppen.Der einzige Unterschied zwischen 4G und 5G Sub-6-GHz besteht darin, dass dieselben systemseitigen Komponenten verwendet werden und die Antenne immer noch eine unabhängige Rundstrahlantenne (anstelle eines Arrays) ist.Die Dipolantenne, Monopolantenne, PIFA, IFA, Schleifenantenne usw. werden weiterhin eine dominierende Rolle bei 2G/3G/4G spielen.Antennenformfaktoren können von einer einfachen gedruckten Schienenantenne bis zu einer komplizierten lasergesteuerten Strukturantenne variieren.Aktive Antennen können verwendet werden, um Größenanforderungen zu erfüllen.Aktive Impedanzanpassung und Antennenaperturabstimmung bilden die zwei Haupttypen aktiver Antennensysteme.Die aktive Aperturabstimmung ändert direkt die inhärenten Eigenschaften der Antenne, während die aktive Impedanzanpassung es dem Antennensystem ermöglicht, je nach Änderungen der Betriebsparameter zwischen mehreren Impedanzanpassungsnetzwerken zu wählen.OEMs müssen daher Designs unter Verwendung einzigartiger Anpassungsnetzwerke modifizieren.Um den Signalleitungsverlust auf mmWave-Frequenzen zu kompensieren, sind Phased-Array-Antennen erforderlich, da sie eine extrem hohe Verstärkung (dBi) erzeugen können.Eine Phased-Array-Antenne muss in der Lage sein, den Strahlungsstrahl so auszurichten und einzustellen, dass die Spitzen-EIRP (dBm) zu einem empfangenden Mobilgerät innerhalb ihres Zellensektors maximiert wird.Dieses Design unterscheidet sich von früheren.Es wird helfen, die Signalverluste zu überwinden.Einige der zu berücksichtigenden Schlüsselfaktoren sind:Der Nebenkeulenpegel muss reduziert, die Reichweite und Auflösung des Strahlrichtungswinkels erhöht, das Systemrauschen unterdrückt und die Energieeffizienz mit einer Phased-Array-Antenne erhöht werden.Aufgrund der Anforderung, mehr Antennen in einem kleineren Bereich unterzubringen, muss die Antennengröße verringert werden, was die Antenneneffizienz verringert.Laut Simulationsmodellen einer idealen Antenne nimmt die Antennenwirksamkeit in Vollbildtelefonen ab, wenn der Abstand zwischen dem strahlenden Element oben auf dem Gerät und dem Boden (am Rand des Bildschirms platziert) kleiner wird.Der Empfänger ist aufgrund der größeren Anzahl von Antennen und ihrer geringeren Größe anfälliger für vorübergehende Effekte, die durch Änderungen in seiner Umgebung verursacht werden, z. B. das Halten des Telefons.Reduzierte Wirksamkeit und Änderungen des Frequenzgangs sind zwei Beispiele für diese vorübergehenden Auswirkungen.Die Signale, die die zwei oder mehr Antennen separat empfangen, müssen so wenig wie möglich miteinander verbunden sein, damit sie als unabhängig betrachtet werden können.Drei Kriterien – Raumvielfalt, Polarisationsvielfalt und Strahldiversität oder am häufigsten eine Kombination davon – werden verwendet, um diese wesentliche Eigenschaft zu erreichen, die Antennen besitzen müssen.Indem die Antennen in bestimmten Abständen (in Bezug auf Wellenlängen definiert) voneinander positioniert werden, wird eine Dekorrelation zwischen den aufgenommenen Signalen in Raumdiversität ermöglicht.Beim Anwenden von Polarisationsdiversität werden Antennen mit zueinander orthogonalen charakteristischen Polarisationen verwendet, um eine Dekorrelation zwischen empfangenen Signalen zu erreichen.Bei der Strahldiversität wird eine Dekorrelation zwischen empfangenen Signalen unter Verwendung von Strahlungsmustern erreicht, die potentiell zueinander komplementär und voneinander verschieden sind.Der Korrelationskoeffizient und die Isolation werden verwendet, um den Grad der Unabhängigkeit zwischen den Ports in einem Mehrantennensystem anzugeben.Der Korrelationskoeffizient misst, wie ähnlich sich die Abstrahlcharakteristiken der beiden Antennen sind bzw. wie effektiv sie eine Art räumliche Filterung elektromagnetischer Strahlen leisten können, die aus verschiedenen Richtungen und mit unterschiedlichen Polarisationen auf den Empfänger treffen.Andererseits wird der Grad der Entkopplung zwischen den strahlenden Komponenten durch die Isolation zwischen den beiden Antennen bestimmt.HF-Energie wird vom menschlichen Körper absorbiert.Es kann erforderlich sein, die Antenne auf der vom Körper abgewandten Seite des tragbaren/mobilen Geräts zu positionieren, wenn es am oder nahe am Körper getragen wird.Dies ist einer der Gründe, warum HF-Designfirmen Experimente in schalltoten Räumen mit Phantomköpfen, -körpern und -händen durchführen.Die Leistung einer Antenne kann auch durch Metallgegenstände in der Nähe beeinträchtigt werden.Die Leistung einer Antenne kann auch durch das Gehäuse des Geräts beeinträchtigt werden.Es kann auch die Energiemenge reduzieren, die die Antenne abstrahlt, wenn das Gehäuse aus Metall oder Kunststoff mit Glasfüllung besteht.Denken Sie darüber nach, Kunststoff anstelle von Glas zu verwenden, um das Gehäuse herzustellen.Die HF-Leistung kann je nach Platzierung der Antenne auf der Leiterplatte variieren.Antennen sollten in sechs Richtungen abstrahlen.Antennen sind oft so konstruiert, dass sie in einem Winkel arbeiten, aber einige Antennen funktionieren am besten an der langen oder kurzen Kante einer Platine.Batterien, LCDs, Motoren und andere Metallgegenstände können Rauschen oder Reflexionen erzeugen, die die Antennenleistung beeinträchtigen.Die fünfte Generation dieser Technologie wird 10- bis 20-mal schnellere Übertragungsraten (bis zu 1 Gbps), eine 1.000-mal höhere Verkehrsdichte und 10-mal mehr Verbindungen pro Quadratkilometer als das 4G-Netz bieten.Während 5G in weitaus größeren Frequenzbereichen als 4G arbeitet, strebt es eine Latenz von 1 ms an, was 10-mal schneller ist als 4G.Mit Antennen ausgestattete Leiterplatten müssen sowohl höhere Datengeschwindigkeiten als auch Frequenzen als bisher bewältigen, was das Mixed-Signal-Design an seine Grenzen bringt.Die von 4G-Netzen verwendeten Frequenzen reichen von 600 MHz bis 5,925 GHz, während die von 5G-Netzen verwendeten Frequenzen bis in den Millimeterbereich mit einer durchschnittlichen Bandbreite von 26 GHz, 30 GHz und 77 GHz reichen.Um Energie zu emittieren, benötigen Antennen für oberflächenmontierte Geräte häufig eine Masseebene.Die Masseebene ist eine flache Oberfläche, die etwas wie ein Spiegel funktioniert, um die Antenne für Reziprozität auszugleichen.In den meisten Fällen ist die Grundplatte länger als die Antenne.Die Mindestbetriebsfrequenz bestimmt die Länge.Das gesamte Design einer Leiterplatte basiert auf der Verarbeitung kombinierter Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzsignale für 5G-Anwendungen.Um den FCC-EMV-Vorschriften zu entsprechen, müssen elektromagnetische Interferenzen, die auch zwischen den Komponenten der Platine auftreten können, die analoge Signale verarbeiten, und denjenigen, die digitale Daten verarbeiten, vermieden werden.Die Wärmeleitfähigkeit und der thermische Koeffizient der Dielektrizitätskonstante, der Schwankungen der Dielektrizitätskonstante misst (häufig in ppm/˚C), sind die beiden Faktoren, die die Materialauswahl beeinflussen.Bei der Beschreibung der Schichtdicke und der Übertragungsleitungseigenschaften ist auch die PCB-Form von entscheidender Bedeutung.Beim ersten Punkt ist es erforderlich, eine Laminatdicke zu wählen, die typischerweise zwischen 1/4 und 1/8 der Wellenlänge der höchsten Arbeitsfrequenz liegt.Das Laminat kann zu vibrieren beginnen und möglicherweise Wellen auf die Leiter ausbreiten, wenn es zu dünn ist.Die Wahl zwischen Microstrips, Stripline oder GCPW als Leitertyp für Übertragungsleitungen ist erforderlich.Designer sollten sich nach der Auswahl des Substratmaterials an die Standardrichtlinien für das Design von Hochfrequenz-Leiterplatten halten.Diese Richtlinien umfassen die Verwendung der kürzestmöglichen Leiterbahnen und die Kontrolle ihrer Breite und ihres Abstands voneinander, um die Impedanz entlang aller Verbindungen zu erhalten.Maurizio Di Paolo Emilio ist promovierter Physiker und Telekommunikationsingenieur.Er hat an verschiedenen internationalen Projekten auf dem Gebiet der Gravitationswellenforschung gearbeitet, ein thermisches Kompensationssystem (TCS) und Datenerfassungs- und Steuersysteme entworfen, und an anderen über Röntgenmikrostrahlen in Zusammenarbeit mit der Columbia University, Hochspannungssystemen und Weltraumtechnologien für Kommunikation und Motorsteuerung mit ESA/INFN.TCS wurde bei den Virgo- und LIGO-Experimenten angewendet, die erstmals Gravitationswellen nachwiesen und 2017 den Nobelpreis erhielten. Seit 2007 ist er Gutachter für wissenschaftliche Veröffentlichungen für Akademiker wie das Microelectronics Journal und IEEE-Journals.Darüber hinaus hat er mit verschiedenen Unternehmen der Elektronikindustrie und mehreren italienischen und englischen Blogs und Zeitschriften wie Electronics World, Elektor, Mouser, Automazione Industriale, Electronic Design, All About Circuits, Fare Elettronica, Elettronica Oggi und PCB Magazine zusammengearbeitet Technischer Redakteur/Redakteur, spezialisiert auf verschiedene Themen der Elektronik und Technik.Von 2015 bis 2018 war er Chefredakteur von Firmware und Elettronica Open Source, technischen Blogs und Zeitschriften für die Elektronikindustrie.Er nahm an vielen Konferenzen als Redner von Keynotes zu verschiedenen Themen wie Röntgen, Weltraumtechnologien und Stromversorgung teil.Maurizio schreibt und erzählt gerne Geschichten über Leistungselektronik, Wide Bandgap Semiconductors, Automotive, IoT, Embedded, Energy und Quantum Computing.Maurizio ist seit 2019 Content Editor bei AspenCore. Derzeit ist er Chefredakteur von Power Electronics News und EEWeb und Korrespondent der EE Times.Er ist Moderator von PowerUP, einem Podcast über Leistungselektronik, und Veranstalter und Organisator der PowerUP Virtual Conference, einem Gipfeltreffen, auf dem jedes Jahr großartige Redner über Designtrends in der Leistungselektronik sprechen.Darüber hinaus hat er zu einer Reihe von technischen und wissenschaftlichen Artikeln sowie zu einigen Springer-Büchern über Energy Harvesting und Datenerfassungs- und Steuerungssysteme beigetragen.Sie müssen sich registrieren oder einloggen, um einen Kommentar zu posten.Diese Seite verwendet Akismet, um Spam zu reduzieren.Erfahren Sie, wie Ihre Kommentardaten verarbeitet werden.