Este mundo interconectado, dispositivos multifuncionales como teléfonos inteligentes, tabletas, laptops e IoT demandan antenas capaces de operar a través de múltiples bandas de frecuencia para permitir la conectividad sin costuras sobre 4G LTE, 5G NR, Wi-Fi 6/6E, Bluetooth, GNSS y comunicación de campo cercano (NFC).

Fundamentos de la operación de antena multi-band

Una antena de banda única se optimiza para un rango de frecuencia estrecha, mientras que una antena de banda múltiple muestra múltiples resonancias, cada una cubriendo una banda distinta. El reto clave es asegurar que la antena mantenga una impedancia adecuada que coincida, gana y patrón de radiación en todas las bandas indicadas sin cambios de rendimiento inaceptables.

Tipos de Antenas Multi-Band

Antenas de banda doble

Las antenas de banda doble cubren dos rangos de frecuencia distintos, como las bandas 2.4 GHz y 5 GHz utilizadas para bandas Wi-Fi, o LTE (por ejemplo, 700 MHz y 2.6 GHz).Las implementaciones comunes incluyen la antena invertida-F (IFA) y la antena de parche invertido (PIFA) con uno o dos puntos de alimentación y elementos parasitarios.

Antenas Tri‐Band y Quad‐Band

Estos diseños extienden el concepto a tres o cuatro bandas, a menudo necesarias para los teléfonos inteligentes modernos que deben soportar LTE/5G sub‐6 GHz, Wi-Fi de banda dual, y GNSS. Una técnica común es utilizar un monopolio malévolo combinado con múltiples ramas. Cada rama está afinada a una banda de frecuencia diferente a través de su longitud y ancho. Alternativamente, un solo feed puede excitar múltiples modos de antemando

Antenas reconfigurables

Las antenas reconfigurables pueden cambiar dinámicamente entre bandas utilizando componentes electrónicos como diodos PIN, varacadores o conmutadores RF MEMS. Al cambiar la longitud eléctrica efectiva o la reacción de carga, la antena puede cubrir una amplia gama de frecuencias con una única configuración física. Esto es particularmente valioso para radios y dispositivos definidos por software que necesitan adaptarse a diferentes asignaciones regionales de frecuencia.

Ancha contra antenas multi-band

Una antena de banda ancha cubre una gama continua de frecuencias (por ejemplo, UWB de 3.1 a 10.6 GHz), mientras que una antena de banda múltiple cubre sólo bandas discretas específicas. La elección depende de la aplicación. Para teléfonos celulares que deben trabajar en muchas bandas estrechas (por ejemplo, 700 MHz, 850 MHz, 1.7 GHz, 1.9 GHz, 2.1 GHz

Consideraciones clave de diseño

Ancho de banda

Cada banda requerida debe cubrirse con un ancho de banda fraccional (BW) suficiente para acomodar el espectro de señal, incluyendo bandas de guardia. Para LTE celular, el ancho de banda típico por banda es 10‐20 MHz; para 5G NR, puede ser 100 MHz o más. El factor Q-calidad de la antena (factor de calidad) determina su ancho de banda intrínseco.

Factor de tamaño y forma

Los dispositivos modernos son cada vez más delgados y compactos, dejando un volumen muy limitado para las antenas. Por ejemplo, una antena típica de los teléfonos inteligentes podría ocupar un volumen de sólo 5–10 ml en la parte superior o inferior. Los diseñadores deben utilizar antenas eléctricamente pequeñas con sustratos de alta permitibilidad o materiales magneto-dieléctricos para reducir el tamaño. Sin embargo, la miniaturización generalmente reduce el ancho de banda y la eficiencia.

Solución y Coupling Mutual

En antenas de banda múltiple, múltiples elementos resonantes o múltiples alimentaciones con frecuencia coexisten en estrecha proximidad. El acoplamiento mutuo alto puede degradar el rendimiento cambiando frecuencias de resonancia, reduciendo el ganancia y creando cambios de patrón de radiación indeseables. Las técnicas de aislamiento incluyen el uso de estructuras de tierra defectuosas (DGS), superficies de banda electromagnética (EBG), líneas de neutralización o polarización ortogonal.

Coincidencia de impedancia

La impedancia de entrada de la antena debe coincidir con la impedancia del sistema (normalmente 50 Ω) en todas las bandas. Las redes de emparejamiento con componentes agrupados (capacitadores, inductores) pueden ser agregadas, pero introducen pérdidas y ocupan el área PCB. Un mejor enfoque es diseñar la geometría de la antena para proporcionar un buen partido en todas las frecuencias deseadas.

Patrón de radiación y eficiencia

Cada banda puede requerir un patrón de radiación diferente. Para la cobertura celular, omnidireccional es preferible, mientras que para Wi-Fi, los patrones direccionales pueden mejorar la calidad de los enlaces. Las antenas multi banda deben mantener una ganancia aceptable (por lo general 0‐3 dBi) y eficiencia por encima del 50% en todas las bandas. La eficiencia se degrada por pérdidas ohmicas en el conductor de antena y sustrato, así como por componentes cercanos (tracción de cobre, frecuencia metales gruesos

Técnicas para realizar operaciones multi-band

Carga de carga y elementos parasitarios

Una técnica simple es añadir un tono abierto o cortocircuito al radiador principal. El tono crea una segunda resonancia a una frecuencia determinada por su longitud eléctrica. Por ejemplo, un tono de onda trimestral paralelo al monopolio principal puede generar una noche o una banda adicional. Elementos parasitarios (los conductores no alimentados) junto al elemento activo también puede resonar a las frecuencias deseadas, actuando como antibandas pasivos.

Meandering y Slotting

La medición del camino actual alarga el camino eléctrico eficaz, bajando la frecuencia resonante sin aumentar la huella de la antena. Al añadir una rama malévola que es más larga que la rama principal, se crea una segunda resonancia inferior. Ranurar - cortar las rendijas estrechas o aberturas en el elemento radiante o plano de tierra - también crea resonancias adicionales.

Resonadores pareados

Las estructuras resonantes múltiples pueden ser unidas por la proximidad o la conexión directa. Por ejemplo, un resonador de anillo unido al monopolio proporciona una banda adicional. En las antenas de parche apiladas, dos parches de diferentes tamaños se apilan verticalmente con un separador dieléctrico. Cada parche resona a una frecuencia diferente, y el acoplamiento mutuo proporciona un solo alimento.

Reconfiguración de frecuencias utilizando interruptores y vagadores

Como se ha mencionado, las antenas reconfigurables utilizan componentes activos para alterar la resonancia. Un diodo PIN puede hacer cortocircuito una parte de la antena, cambiando su longitud y por lo tanto su banda de operación. Los diodos Varactor proporcionan un ajuste continuo por condensación variable. Esta técnica puede cubrir un rango de frecuencia muy amplio (por ejemplo, 700 MHz a 2.7 GHz) con un único elemento compacto.

Múltiples rayos de entrada/función de la antena (MIMO)

En sistemas MIMO 5G y Wi‐Fi, se utilizan varias antenas para mejorar las tasas de datos. Cada elemento de antena puede diseñarse para una banda específica o puede ser de banda ancha. Para MIMO multi banda, las antenas se colocan a menudo ortogonal o separadas para lograr una baja correlación. Pueden utilizar diversidad de polarización o diversidad de patrones.

Desafíos y soluciones prácticas

Integración con viviendas metálicas

Muchos dispositivos modernos cuentan con respaldos o marcos metálicos que pueden desintegrar antenas. Para mitigar esto, los diseñadores utilizan antenas de ranura cortadas en el chasis metálico, alimentaciones de acoplamiento capacitiva o limpias de tierra separadas. Por ejemplo, un teléfono metálico puede utilizar el marco de metal en sí mismo como un elemento radiante con múltiples ranuras para definir las trayectorias actuales.

Cumplimiento específico de la tasa de absorción (SAR)

Las antenas multibanda deben cumplir con los límites de SAR (por ejemplo, 1,6 W/kg en los EE.UU.). La mayor eficiencia en bandas inferiores suele corresponder a una mayor SAR. Las técnicas de diseño para reducir SAR incluyen añadir materiales perosos (inserciones de reducción de RAE), utilizando diseños de antena que alejan la radiación del usuario y operan a menor potencia de salida.

Interferencia de los componentes internos

Las baterías, cámaras, altavoces y cables de visualización pueden alterar el rendimiento de la antena. La mejor práctica es colocar antenas en áreas con metal mínimo y utilizar planos de tierra como escudos. Los materiales de absorción RF se pueden colocar entre los componentes de antena y ruido. La simulación de onda completa, incluyendo todas las estructuras internas importantes, es esencial para predecir el rendimiento real del mundo.

Aplicaciones en dispositivos multi-Functional

Smartphones y Tablets

Los dispositivos de HTM deben soportar una serie de bandas desconcertantes: múltiples bandas celulares (2G/3G/4G/5G), Wi‐Fi dual‐band, Bluetooth, GNSS (GPS/GLONASS/BeiDou), y a veces NFC y UWB. Los teléfonos modernos de la bandera utilizan hasta 10–12 antenas, muchas de ellas multi-banda.

Dispositivos IoT

Los sensores y módulos IoT requieren antenas compactas de bajo coste para protocolos como LoRa (868/915 MHz), NB‐IoT (700–900 MHz), Zigbee (2.4 GHz) y Bluetooth. Las antenas de banda múltiple permiten que un solo dispositivo funcione en regiones con diferentes asignaciones de frecuencia. Por ejemplo, una antena de chip que cubre 868 MHz y 2.4 GHz

Wearables

Los relojes inteligentes y las bandas de fitness tienen un espacio extremadamente limitado (a menudo menos de 1 cm3 para la antena). Deben soportar Bluetooth, GPS y a veces celular. Una solución popular es una antena reconfigurable usando un varactor que puede cambiar entre 1,5 GHz (GPS) y 2.4 GHz (Bluetooth) con un voltaje de control simple.

Aplicaciones Automotrices

Los vehículos anfitriones de AM/FM, DAB, radio satélite, celular, V2X y GNSS. Los recintos de aleta de tiburón montados en la azotea suelen contener múltiples antenas: una antena celular de banda cuádruple (LTE/5G), una antena de doble banda Wi-Fi y un parche GPS. El diseño de estas antenas de banda múltiple requiere un aislamiento cuidadoso y un patrón de afeitación de metales para evitar interferencias.

Tendencias futuras en el diseño multi-Band Antenna

Optimización de entrada de inteligencia artificial

Los algoritmos de aprendizaje automático se utilizan cada vez más para optimizar las geometrías de antenas multibanda. Al alimentar una red neuronal con resultados de simulación, los diseñadores pueden encontrar rápidamente configuraciones que cumplen múltiples objetivos: ancho de banda, tamaño, eficiencia, aislamiento, sin una exhaustiva iteración manual. Esto es particularmente eficaz para topologías complejas como antenas reconfigurables con muchos interruptores.

Metamateriales y Conductores Magnéticos Artificiales

Antenas inspiradas en metamateriales usando resonadores de cuerdas divididas, anillos de división complementarios o superficies de alta potencia pueden lograr un comportamiento de banda múltiple con huellas eléctricamente pequeñas. Por ejemplo, una carga metamaterial puede introducir una permeabilidad negativa que crea una resonancia adicional sin aumentar el tamaño. Estas estructuras se están investigando para bandas de 5G mmWave donde las dielectrices convencionales son perdidas.

Sistemas de Antena Integral y Full-Duplex

Los dispositivos futuros soportarán la transmisión simultánea y la recepción en la misma frecuencia (en banda completa-duplex). Esto requiere antenas con alto aislamiento entre puertos transmitidos y receptores, a menudo mejores que 80 dB. Antenas multi banda con doble poliarización o integración de circuladores jugará un papel. Además, las antenas se están integrando cada vez más con la pantalla ( antenas claras) o con la batería para ahorrar espacio.

5G mmWave and Sub‐6 GHz Co‐Design

Los dispositivos 5G deben cubrir tanto el sub-6 GHz (FR1) como el mmWave (FR2, 24–40 GHz). La antena de mmWave consiste generalmente en arrays escalonados con elementos de parche, que son completamente diferentes de las antenas sub-6 GHz. Co-ubicar ambos en un pequeño dispositivo requiere una colocación cuidadosa para evitar el acoplamiento.

Antenas de captación de energía y autopropulsadas

Las antenas de banda múltiple también pueden servir como cosechadoras de energía, capturando energía RF de múltiples bandas simultáneamente. Esto es atractivo para dispositivos de baja potencia IoT. Los diseños que combinan la antena, rectificador y red de emparejamiento para 900 MHz y 2.4 GHz están en desarrollo. La antena debe tener alta eficiencia en ambas frecuencias mientras que la impedancia correcta para el rectificador. [FLT]

Conclusión

Diseñar antenas de banda dual y de banda múltiple para dispositivos multifuncionales es una disciplina multifacética que exige una comprensión profunda de la teoría electromagnética, la ciencia material y la integración del sistema. Como los dispositivos continúan reduciendo y agregando más estándares inalámbricos, la presión sobre los ingenieros de antena sólo aumentará.