Nel mondo interconnesso di oggi, dispositivi multifunzionali come smartphone, tablet, laptop e gadget IoT richiedono antenne in grado di operare su più bande di frequenza per consentire una connettività senza soluzione di continuità su 4G LTE, 5G NR, Wi‐Fi 6/6E, Bluetooth, GNSS e comunicazione vicino al campo (NFC).

Fondamenti dell'operazione Multi-Band Antenna

Un’antenna a banda singola è ottimizzata per una gamma di frequenze ristrette, mentre un’antenna a banda multibanda presenta molteplici risonanze, ognuna delle quali copre una banda distinta. La sfida chiave è quella di garantire che l’antenna mantieni adeguati parametri di impedenza, guadagno e schema di radiazione su tutte le bande intese senza compromessi inaccettabili.

Tipi di antenne multi-Band

Antenne a doppia banda

Le antenne a doppia banda coprono due distinte frequenze, come le bande a 2,4 GHz e 5 GHz utilizzate per Wi‐Fi, o le bande LTE (ad esempio 700 MHz e 2.6 GHz) e le implementazioni comuni includono l'antenna a patch inverted‐F (IFA) e l'antenna a planare inverted‐F (PIFA) con uno o due punti di alimentazione e elementi parassici.

Antenne tri-Band e quad-Band

Questi progetti estendono il concetto a tre o quattro bande, spesso necessarie per gli smartphone moderni che devono supportare il LTE/5G sub‐6 GHz, Wi‐Fi dual-band e GNSS. Una tecnica comune è quella di utilizzare un monopolo con più rami PC. Ogni ramo è legato ad una banda di frequenza diversa attraverso la sua lunghezza e larghezza.

Antenne riconfigurabili

Le antenne riconfigurabili possono cambiare dinamicamente tra le bande utilizzando componenti elettronici come i diodi PIN, i varagoni o gli switch RF MEMS. Cambiando l'efficace lunghezza elettrica o la reattività di carico, l'antenna può coprire un'ampia gamma di frequenze con una singola configurazione fisica. Ciò è particolarmente prezioso per le radio ed efficienza definite dal software che devono adattarsi a diverse allocazioni di frequenza regionali.

Antenne a banda larga vs. Multi-Band

Un'antenna a banda larga copre una gamma continua di frequenze (ad esempio, UWB da 3.1 a 10.6 GHz), mentre un'antenna a banda multipla copre solo specifiche bande discrete. La scelta dipende dall'applicazione. Per i telefoni cellulari che devono lavorare su molte bande strette (ad esempio, 700 MHz, 850 MHz, 1,7 GHz, 1.9 GHz, 2.1 GHz, 2.6 GHz), un design a banda multi-fer è spesso più pratico

Considerazioni chiave di progettazione

Larghezza di banda

Ogni banda richiesta deve essere coperta con una larghezza di banda frazionata (BW) sufficiente per ospitare lo spettro del segnale, comprese le bande di guardia.Per LTE cellulare, la larghezza di banda tipica per banda è 10-20 MHz; per 5G NR, può essere 100 MHz o più. Il fattore Q dell'antenna (fattore di qualità) determina la sua larghezza di banda intrinseca.

Dimensione e fattore di forma

I moderni dispositivi sono sempre più sottili e compatti, lasciando un volume molto limitato per le antenne. Ad esempio, un'antenna tipica per smartphone potrebbe occupare un volume di soli 5-10 ml al bordo superiore o inferiore. I progettisti devono usare antenne elettriche con substrati ad alta produttività o materiali magneto-dielettrici per ridurre le dimensioni. Tuttavia, la miniaturizzazione generalmente restringe la larghezza di banda e riduce l'efficienza.

Isolamento e accoppiamento reciproco

Nelle antenne multibanda, gli elementi di risonanza multipli o i feed multipli spesso coesisteno in prossimità. L'accoppiamento reciproco elevato può degradare le prestazioni spostando le frequenze di risonanza, riducendo il guadagno e creando cambiamenti indesiderati del modello di radiazione. Le tecniche di isolamento includono l'utilizzo di strutture di terra difettose (DGS), le superfici di accoppiamento elettromagnetico (EBG), le linee di neutralizzazione, o polarizzazione ortogonale.

Abbinamento di impedenza

L'impedenza di ingresso dell'antenna deve corrispondere all'impedenza del sistema (di solito 50 Ω) in tutte le bande. Le reti di corrispondenza che utilizzano componenti lumped (condensatori, induttori) possono essere aggiunte, ma introducono perdite e occupano l'area PCB. Un approccio migliore è quello di progettare la geometria dell'antenna stessa per fornire una buona corrispondenza a tutte le frequenze previste.

Motivo di radiazione ed efficienza

Per la copertura cellulare, omnidirezionale è preferito, mentre per Wi‐Fi, i modelli direzionali possono migliorare la qualità del collegamento. Le antenne multibanda devono mantenere un guadagno accettabile (tipicamente 0‐3 dBi) e l'efficienza superiore al 50% su tutte le bande. L'efficienza è degradata da perdite ohmiche nel conduttore e substrato dell'antenna, così come da componenti vicini (batteria, display, alloggiamento in metallo).

Tecniche per la realizzazione di Multi-Band Operation

Caricamento e elementi parassitari

Una tecnica semplice è quella di aggiungere una stub a corto circuito aperto al radiatore principale. La stub crea una seconda risonanza a una frequenza determinata dalla sua lunghezza elettrica. Ad esempio, un ceppo a quattro onde parallela al monopolo principale può generare una tacca o una banda aggiuntiva.

Meandering e Slotting

Meandering il percorso corrente allunga l'efficace percorso elettrico, abbassando la frequenza di risonanza senza aumentare l'impronta dell'antenna. Aggiungendo un ramo più lungo del ramo principale, viene creata una seconda risonanza inferiore. Slotting—tagliando le fessure strette o le aperture nell'elemento radiante o piano terra— crea anche ulteriori risonanze.

Resonatori accoppiati

Per esempio, un risonatore ad anello accoppiato a un monopolo fornisce una banda aggiuntiva. In antenne a patch impilate, due patch di dimensioni diverse sono impilati verticalmente con uno distanziatore dielettrico. Ogni patch risuona a una frequenza diversa, e l'accoppiamento reciproco fornisce un singolo feed. Questo approccio funziona bene per le antenne di base ma è troppo spesso per la maggior parte dei dispositivi portatili.

Ricosfigurazione di frequenza utilizzando interruttori e varastri

Come accennato, le antenne riconfigurabili utilizzano componenti attivi per alterare la risonanza. Un diodo PIN può cortocircuitare una porzione dell'antenna, cambiandone la lunghezza e quindi la sua banda operativa. I diodi Varactor forniscono un'accordatura continua con una capacità variabile. Questa tecnica può coprire un'ampia gamma di frequenze (ad esempio, 700 MHz a 2,7 GHz) con un singolo elemento compatto.

Multiplo di ingresso/uscita multiforme (MIMO) argini antenne

I sistemi MIMO a 5G e Wi‐Fi sono utilizzati per migliorare i tassi di dati. Ogni elemento antenna può essere progettato per una banda specifica o può essere a banda larga. Per MIMO a banda multibanda, le antenne sono spesso posizionate ortogonali o distanziate a parte per raggiungere una bassa correlazione. Possono usare la diversità di polarizzazione o la diversità di pattern.

Sfide e soluzioni pratiche

Integrazione con alloggiamenti in metallo

Per mitigare questo, i progettisti utilizzano antenne di slot tagliate nel telaio metallico, mangimi di accoppiamento capacitivi o sgomberi di terra separati. Ad esempio, un telefono metallico-rimata può utilizzare il telaio metallico stesso come elemento radiante con più lenti per definire i percorsi attuali. Questo approccio può raggiungere la copertura multi-banda ma richiede un'attenta simulazione elettromagnetica per evitare risonanze che degradano le prestazioni.

Tasso di assorbimento specifico (SAR)

Le antenne a banda multipla devono soddisfare i limiti SAR (ad esempio, 1,6 W/kg negli Stati Uniti). L'efficienza più elevata a bande inferiori corrisponde spesso a tecniche di progettazione più elevate per ridurre SAR include l'aggiunta di materiali perduti (inserti di riduzione SAR), utilizzando disegni di antenne che si allontanano dall'utente e che operano a potenza di uscita inferiore.

Interferenza da parte di componenti interni

Le batterie, le telecamere, i diffusori e i cavi di visualizzazione possono disturbare le prestazioni dell'antenna. La migliore pratica è quella di posizionare le antenne in aree con metallo minimo e di utilizzare i piani di terra come scudi. I materiali di assorbimento RF possono essere posizionati tra l'antenna e i componenti rumorosi.

Applicazioni in dispositivi multi-Functional

Smartphone e Tablet

Questi dispositivi devono supportare una serie di bande di bewilder: bande cellulari multiple (2G/3G/4G/5G), Wi-Fi dual-band, Bluetooth, GNSS (GPS/GLONASS/BeiDou), e talvolta NFC e UWB. I moderni telefoni di punta utilizzano fino a 10-12 antenne, molte delle quali multi-banda.

Dispositivi IoT

I sensori e i moduli IoT richiedono antenne compatte a basso costo per protocolli come LoRa (868/915 MHz), NB‐IoT (700–900 MHz), Zigbee (2.4 GHz), e Bluetooth. Le antenne a banda multipla consentono a un singolo dispositivo di lavorare in regioni con assegnazioni a frequenza differenti.

Indossabili

Gli smartwatch e le bande fitness hanno uno spazio estremamente limitato (spesso inferiore a 1 cm3 per l'antenna) e devono supportare Bluetooth, GPS e talvolta cellulare. Una soluzione popolare è un'antenna riconfigurabile utilizzando un varactor che può passare tra 1,5 GHz (GPS) e 2.4 GHz (Bluetooth) con una semplice tensione di controllo.

Applicazioni automobilistiche

Le antenne per antenne per AM/FM, DAB, radio satellitare, cellulare, V2X e GNSS. Le custodie a pinna di squalo montate a tetto contengono spesso antenne multiple: un'antenna cellulare a banda quadrata (LTE/5G), un'antenna Wi-Fi a doppia banda e una patch GPS.

Tendenze future nel design multi-Band Antenna

Ottimizzazione AI-Driven

Grazie all'alimentazione di una rete neurale con risultati di simulazione, i progettisti possono trovare rapidamente configurazioni che soddisfano più obiettivi: larghezza di banda, dimensione, efficienza, isolamento, senza un'esauriente iterazione manuale, particolarmente efficace per complesse topologie come antenne riconfigurabili con molti switch.

Metamateriali e conduttori magnetici artificiali

Le antenne a forma di metamateriale che utilizzano risonatori anelli separati, anelli separati complementari o superfici ad alta impedenza possono ottenere un comportamento multibanda con impronte elettriche di piccole dimensioni. Ad esempio, un carico metamateriale può introdurre una permeabilità negativa che crea una risonanza aggiuntiva senza aumentare le dimensioni. Queste strutture sono state studiate per 5G mmWave bande dove i dielet convenzionali sono dispersi antenna material]

Sistemi di antenna completi e integrati

I dispositivi futuri supportano la trasmissione simultanea e la ricezione sulla stessa frequenza (in banda full-duplex). Ciò richiede antenne con alto isolamento tra la trasmissione e ricevere porte—spesso meglio di 80 dB. Antenne a banda multipla con doppia polarizzazione o integrazione dei circolatori giocheranno un ruolo. Inoltre, le antenne sono sempre più integrate con il display (antenne chiare) o con la batteria per risparmiare spazio.

5G mmWave e Co-Design a 6 GHz

I dispositivi 5G devono coprire sia i sotto-6 GHz (FR1) che i mmWave (FR2, 24–40 GHz). L'antenna mmWave consiste solitamente di array phased con elementi di patch, che sono completamente diversi dalle antenne a GHz sub-6. Il posizionamento sia in un piccolo dispositivo richiede un posizionamento attento per evitare l'accoppiamento.

Arredi di energia e Antenne auto-rifornate

Le antenne a banda multipla possono anche servire come raccoglitori di energia, catturando l'energia RF da più bande contemporaneamente. Questo è attraente per dispositivi IoT a bassa potenza. I disegni che combinano antenna, rettificatore e rete corrispondente per 900 MHz e 2.4 GHz sono in fase di sviluppo. L'antenna deve avere alta efficienza a entrambe le frequenze, presentando la giusta impedenza al retifier.

Conclusioni

Progettare a doppia banda e multi-banda per dispositivi multifunzionali è una disciplina multiforme che richiede una profonda comprensione della teoria elettromagnetica, della scienza dei materiali e dell'integrazione del sistema. Poiché i dispositivi continuano a restringere e aggiungere più standard wireless, la pressione sugli ingegneri dell'antenna aumenterà solo. Fortunatamente, i progressi nei tool di simulazione, i componenti riconfigurabili e le reti di corrispondenza media stanno fornendo soluzioni potenti.