In de huidige wereld vragen multifunctionele apparaten zoals smartphones, tablets, laptops en IoT-gadgets om antennes die over meerdere frequentiebanden kunnen werken om naadloze connectiviteit over 4G LTE, 5G NR, Wi‐Fi 6/6E, Bluetooth, GNSS en communicatie in de buurt te bewerkstelligen. Het ontwerpen van dual-band- en multibandantennes is een kern uitdaging geworden die prestaties, grootte, kosten en integratie in evenwicht brengt. In dit artikel worden de principes, technieken en beste praktijken voor het creëren van effectieve multibandantennes op maat van moderne multifunctionele apparaten onderzocht.

Fundamentele onderdelen van de multi-band-antenneoperatie

Een antenne straalt elektromagnetische energie uit met de resonantiefrequentie of frequenties. Een antenne met één enkel band is geoptimaliseerd voor één smalle frequentieband, terwijl een multibandantenne meerdere resonanties vertoont, die elk een afzonderlijke band bestrijken. De belangrijkste uitdaging is ervoor te zorgen dat de antenne voldoende impedantie- en stralingspatroon behoudt over alle beoogde banden zonder onaanvaardbare prestatie-afwisselingen. Multibandbewerking is doorgaans gebaseerd op het creëren van meerdere stroompaden of het gebruik van reactieve belasting om resonantiefrequenties te verschuiven. Gemeenschappelijke benaderingen omvatten vertakte uitstralende elementen, parasitaire koppeling en frequentie-selectieve oppervlakken. De antenne heeft een sterke invloed op de laagste resonantiefrequentie; voor draagbare apparaten dwingt deze ontwikkelaars om elektrische kleine antennes te gebruiken met inherent smalle bandbreedtes, waardoor de dekking van meerdere banden nog moeilijker wordt.

Soorten multi-bandantennes

Dualband Antenna's

Dual-band antennes bestrijken twee verschillende frequentiebanden, zoals de 2,4 GHz- en 5 GHz-banden die worden gebruikt voor Wi-Fi- of LTE-banden (bv. 700 MHz en 2.6 GHz). Gemeenschappelijke implementaties omvatten de omgekeerde-F-antenne (IFA) en planar omgekeerde-F-antenne (PIFA) met een of twee feedpoints en parasitaire elementen. Een dual-band PIFA kan twee resonanties bereiken door de vorm van de stralende patch te wijzigen of door een sleufstructuur toe te voegen. Bijvoorbeeld, een L-vormige sleuf op de patch introduceert een extra stroompad dat een tweede resonantie creëert.

Tri-Band en Quad-Band Antenna's

Deze ontwerpen strekken het concept uit tot drie of vier banden, vaak nodig voor moderne smartphones die LTE/5G sub‐6 GHz, Wi‐Fi dual-band, en GNSS moeten ondersteunen. Een gemeenschappelijke techniek is om een meandered monopole gecombineerd met meerdere takken te gebruiken. Elke tak wordt afgestemd op een andere frequentieband via zijn lengte en breedte. Als alternatief kan één enkele voeding meerdere modi (bv. fundamentele, harmonische en slotmodus) in een compacte uitstralende structuur opwinden. Multi-band antennes bevatten vaak printprintplaat (PCB) grondvlakkoppeling, omdat de grond zelf bijdraagt aan straling bij lage frequenties.

Herconfigureerbare Antennes

Herconfigureerbare antennes kunnen dynamisch schakelen tussen banden met behulp van elektronische componenten zoals PIN-dioden, varactors of RF MEMS-schakelaars. Door de effectieve elektrische lengte of laadreactie te wijzigen, kan de antenne een breed scala van frequenties bestrijken met één enkele fysieke configuratie. Dit is bijzonder waardevol voor software-gedefinieerde radio's en apparaten die zich moeten aanpassen aan verschillende regionale frequentietoewijzingen. Echter, herconfigureerbare antennes zorgen voor complexiteit in vooringenomenheid, lineariteit en vermogensbehandeling, en moeten zorgvuldig ontworpen zijn om de efficiëntie te voorkomen.

Breedband vs. Multi-Band Antenna's

Een breedbandantenne omvat een continu bereik van frequenties (bijvoorbeeld UWB van 3,1 tot 10,6 GHz), terwijl een multibandantenne alleen specifieke discrete banden omvat. De keuze is afhankelijk van de toepassing. Voor cellulaire handsets die op vele smalle banden moeten werken (bv. 700 MHz, 850 MHz, 1,7 GHz, 1,9 GHz, 2,1 GHz en 2,6 GHz), is een multibandontwerp vaak praktischer omdat het kan voorkomen dat zich met niet-cellulaire diensten bemoeit en kleiner kan worden. Breedbandantennes zijn meestal groter en gevoeliger voor buitenbandruis.

Belangrijkste overwegingen bij het ontwerp

Bandbreedte

Elke band moet worden bedekt met een fractionele bandbreedte (BW) die voldoende is om het signaalspectrum, inclusief de bewakersbanden, te kunnen opvangen. Voor cellulaire LTE is de typische bandbreedte per band 10‐20 MHz; voor 5G NR kan het 100 MHz of meer zijn. De antenne Q factor (kwaliteitsfactor) bepaalt de intrinsieke bandbreedte. Elektrische kleine antennes hebben een hoge Q en smalle bandbreedte, zodat het verkrijgen van brede bandbreedte vaak vereist dat wordt geladen met losse componenten (die de efficiëntie verminderen) of met behulp van meerdere resonatoren. Technieken zoals karakteristiek modusanalyse (CMA) helpen bij het identificeren van optimale invoerposities om meerdere modi te activeren en de effectieve bandbreedte te vergroten.

Grootte en vormfactor

Moderne apparaten zijn steeds dunner en compacter, waardoor het volume voor antennes zeer beperkt blijft. Zo kan een typische smartphoneantenne een volume van slechts 50.000 ml aan de boven- of onderrand innemen. Ontwerpers moeten elektrische kleine antennes gebruiken met hoge vergunningssubstraten of magneto-diëlectrische materialen om de grootte te verminderen. Miniaturisering verkleint echter over het algemeen de bandbreedte en vermindert de efficiëntie. Een afweging tussen grootte, bandbreedte en efficiëntie (de .Chu-limiet .) moet zorgvuldig worden beheerd.

Isolatie en onderlinge koppeling

In multibandantennes bestaan vaak meerdere resonerende elementen of meerdere feeds in de nabijheid. Hoge onderlinge koppeling kan prestaties afbreken door het verschuiven van resonantiefrequenties, het verminderen van de winst, en het creëren van ongewenste stralingspatronen veranderingen. Isolatietechnieken omvatten het gebruik van defecte grondstructuren (DGS), elektromagnetische bandgap (EBG) oppervlakken, neutraliserende lijnen, of orthogonale polarisatie. Bijvoorbeeld, twee antennes die werken op 2,4 GHz en 5 GHz kunnen orthogonaal worden geplaatst om koppeling te minimaliseren. In MIMO-systemen, isolatie beter dan 10 dB is meestal vereist.

Impedantie-matching

De ingangsimpedantie van de antenne moet overeenkomen met de systeemimpedantie (meestal 50 Ω) over alle banden. Bijpassende netwerken met behulp van klontercomponenten (capacitors, smoorspoelen) kunnen worden toegevoegd, maar ze brengen verliezen en bezetten PCB-oppervlak. Een betere benadering is om de antenne geometrie zelf te ontwerpen om een goede match te bieden bij alle beoogde frequenties. Dit houdt vaak in dat gelijktijdig geconjugeerde matching is met technieken zoals T- of L-netwerkfilters die in de toevoerleiding zijn geïntegreerd. Computer-assige ontwerpgereedschappen en full-wave EM-simulatoren (bv. HFSS, CST) zijn essentieel om de afstemming te optimaliseren.

Stralingspatroon en efficiëntie

Elke band kan een ander stralingspatroon vereisen. Voor cellulaire, omnidirectionele dekking wordt de voorkeur gegeven, terwijl voor Wi-Fi, richtingspatronen de koppelingskwaliteit kunnen verbeteren. Multibandantennes moeten een aanvaardbare winst (gewoonlijk 0-3 dBi) en efficiëntie boven 50% over alle banden behouden. Efficiëntie wordt aangetast door ohmic verliezen in de antenne geleider en substraat, evenals door nabijgelegen componenten (batterij, display, metalen behuizing). Ontwerpers gebruiken vaak laagverlies substraten (bijvoorbeeld Rogers, Panasonic Megtron) en dikke kopersporen om verliezen te beperken.

Technieken voor het realiseren van multi-band-exploitatie

Stub Laden en Parasitische Elementen

Een eenvoudige techniek is het toevoegen van een open- of kortsluitingsstub aan de hoofdradiator. De stub zorgt voor een tweede resonantie met een frequentie die bepaald wordt door de elektrische lengte. Zo kan een kwart-golfstub parallel aan de hoofdmonopole een inkeping of een extra band genereren. Parasitische elementen (niet-gevoede geleiders) gekoppeld aan het actieve element kunnen ook resoneren op de gewenste frequenties, die als passieve radiatoren fungeren. Deze methode wordt veel gebruikt in PIFA-ontwerpen om een hoge band (Wi-Fi 5 GHz) toe te voegen aan een lage-band (LTE 700 MHz) antenne.

Gemiddeldering en samenzwering

Het gemiddelde van de huidige weg verlengt het effectieve elektrische pad, waardoor de resonantiefrequentie wordt verlaagd zonder de antenne te verhogen. Door een gemanderde tak toe te voegen die langer is dan de hoofdtak, ontstaat een tweede lagere resonantie. Het inlassen van smalle spleten of openingen in het uitstralende element of grondvlak zorgt ook voor extra resonanties. Een U-vormige sleuf kan bijvoorbeeld een hogere orde-modus die een tweede band beslaat, stimuleren. Deze technieken worden vaak gebruikt in bedrukte monopole antennes voor IoT modules.

Gekoppelde resonatoren

Meerdere resonantiestructuren kunnen worden gekoppeld door middel van nabijheid of directe verbinding. Bijvoorbeeld, een ringresonator gekoppeld aan een monopole biedt een extra band. In gestapelde patch antennes, twee patches van verschillende maten worden verticaal gestapeld met een diëlektrische afstandsmeter. Elke patch resoneert op een andere frequentie, en wederzijdse koppeling biedt een enkele voeding. Deze aanpak werkt goed voor basisstation antennes maar is te dik voor de meeste draagbare apparaten.

Frequentieherconfiguratie met behulp van schakels en varictoren

Zoals gezegd, gebruiken herconfigureerbare antennes actieve componenten om de resonantie te veranderen. Een PIN-diode kan een deel van de antenne kortsluiten, waardoor de lengte en dus de werkingsband veranderen. Varactordioden zorgen voor continue afstelling door wisselende capaciteit. Deze techniek kan een zeer breed frequentiebereik (bijvoorbeeld 700 MHz tot 2.7 GHz) met één compact element bestrijken. Echter, het bevoordelingsnetwerk moet zorgvuldig ontworpen zijn om RF lekkage te voorkomen en de niet-lineairheid van dioden kan intermodulatievervorming veroorzaken.

Meerdere invoer/meerdere uitvoer (MIMO) Antenna-arrays

In 5G en Wi-Fi MIMO systemen worden meerdere antennes gebruikt om de datasnelheden te verbeteren. Elk antenneelement kan voor een specifieke band worden ontworpen of kan breedband zijn. Voor multiband MIMO worden de antennes vaak orthogonaal of uit elkaar geschoven om een lage correlatie te bereiken. Ze kunnen gebruik maken van polarisatie diversiteit of patroon diversiteit. Het ontwerpen van multiband MIMO arrays is bijzonder uitdagend in smartphones waar de ruimte uiterst beperkt is. Technieken zoals orthogonale modi in een chassis slot antenne kunnen tot 2×2 MIMO bieden bij zowel 2,4 GHz als 5 GHz.

Uitdagingen en praktische oplossingen

Integratie met metalen woningen

Veel moderne apparaten beschikken over metalen ruggen of frames die antennes kunnen detunen. Om dit te beperken, designers gebruiken slot antennes gesneden in het metalen chassis, capacitieve koppeling voeden, of afzonderlijke grondruimtes. Bijvoorbeeld, een metalen-gemetselde telefoon kan het metalen frame zelf gebruiken als een stralend element met meerdere spleten om huidige paden te definiëren. Deze aanpak kan bereiken multi-band dekking, maar vereist zorgvuldige elektromagnetische simulatie om resonanties die de prestaties te degraderen te voorkomen.

Specifieke absorptiesnelheid (SAR)

Multibandantennes moeten voldoen aan SAR-grenswaarden (bv. 1,6 W/kg in de VS). Hoger rendement bij lagere banden komt vaak overeen met hogere SAR. Ontwerptechnieken om SAR te verminderen omvatten het toevoegen van lossy materialen (SAR reductie inserts), met behulp van antenneontwerpen die straling weg van de gebruiker, en werken bij een lager uitgangsvermogen. In apparaten met meerdere antennes, actieve SAR-middeling kan worden gebruikt.

Interferentie van interne componenten

Batterijen, camera's, luidsprekers en displaykabels kunnen de antenneprestaties verstoren. De beste praktijk is om antennes in gebieden met minimaal metaal te plaatsen en grondvlakken als schilden te gebruiken. RF-absorberende materialen kunnen tussen de antenne en lawaaierige componenten worden geplaatst. Volledige golfsimulatie inclusief alle belangrijke interne structuren is essentieel om prestaties in de echte wereld te voorspellen.

Toepassingen in multifunctionele apparaten

Smartphones en tablets

Deze apparaten moeten een verbijsterende reeks banden ondersteunen: meerdere cellulaire banden (2G/3G/4G/5G), Wi-Fi dual-band, Bluetooth, GNSS (GPS/GLONASS/BeiDou), en soms NFC en UWB. Moderne vlaggenschiptelefoons gebruiken maximaal 10

IoT-apparaten

IoT-sensoren en -modules vereisen goedkope, compacte antennes voor protocollen zoals LoRa (868/915 MHz), NB‐IoT (700

Draagbare stoffen

Smartwatches en fitnessbanden hebben een extreem beperkte ruimte (vaak minder dan 1 cm3 voor de antenne). Ze moeten Bluetooth, GPS en soms cellulair ondersteunen. Een populaire oplossing is een herconfigureerbare antenne met behulp van een varactor die kan schakelen tussen 1,5 GHz (GPS) en 2,4 GHz (Bluetooth) met een eenvoudige regelspanning. Als alternatief kan een dual-band PIFA met een dunne diëlektrische kan worden geïntegreerd in de horlogeband. Herkenbare antennes voor wearables[ bieden flexibiliteit met een minimaal volume.

Automotive toepassingen

Voertuigen zijn antennes voor AM/FM, DAB, satellietradio, cellulaire, V2X en GNSS. Dakvormige haaienvinbehuizingen bevatten vaak meerdere antennes: een quad-band cellulaire antenne (LTE/5G), een dual-band Wi-Fi antenne en een GPS patch. Het ontwerpen van deze multiband antennes vereist zorgvuldige isolatie en patroonvorming om interferentie tussen diensten te voorkomen. De metalen autocarbody creëert een groot grondvlak dat het stralingspatroon beïnvloedt. Simulatie- en voertuigmetingen zijn cruciaal.

AI-aandrijving optimalisatie

Machinelearning algoritmes worden steeds vaker gebruikt om multiband antenne geometrieën te optimaliseren. Door een neuraal netwerk te voorzien van simulatieresultaten, kunnen ontwerpers snel configuraties vinden die voldoen aan meerdere doelstellingenbandbreedte, grootte, efficiëntie, isolatie en zonder uitgebreide handmatige iteratie. Dit is bijzonder effectief voor complexe topologieën zoals herconfigureerbare antennes met vele schakelaars.

Metamaterialen en kunstmatige magnetische geleiders

Metamaterialen-geïnspireerde antennes met behulp van split-ring resonatoren, complementaire splitringen of hoog-impedantie oppervlakken kunnen multibandgedrag met elektrische kleine voetafdrukken bereiken. Bijvoorbeeld, een metamateriaal belasting kan een negatieve doorlaatbaarheid die een extra resonantie creëert zonder toenemende grootte. Deze structuren worden onderzocht voor 5G mmWave banden waar conventionele diëlektrische zijn verlies. Onderzoek naar metamateriaal antennes toont belofte voor compacte multi-band ontwerpen.

Full-Duplex en geïntegreerde Antennasystemen

Toekomstige apparaten zullen gelijktijdige transmissie en ontvangst op dezelfde frequentie ondersteunen (in-band full-duplex). Dit vereist antennes met een hoge isolatie tussen de transmissie en ontvangen poorten.Meestal beter dan 80 dB. Multi-band antennes met dual-polarisatie of circulatie integratie spelen een rol. Ook worden antennes steeds meer geïntegreerd met het display (clear antennes) of met de batterij om ruimte te besparen. Transparante geleidende materialen zoals ITO of mesh geleiders maken antennes op schermen mogelijk.

5G mmWave en Sub‐6 GHz Co-Design

5G-apparaten moeten zowel sub‐6 GHz (FR1) als mmWave (FR2, 24

Energiewinning en zelfkrachtige antenne

Multibandantennes kunnen ook als energie oogstmachines dienen, waarbij tegelijkertijd RF-energie wordt opgevangen uit meerdere banden. Dit is aantrekkelijk voor IoT-toestellen met een laag vermogen. Designs die antenne, gelijkrichter en passend netwerk voor 900 MHz en 2.4 GHz combineren, zijn in ontwikkeling. De antenne moet een hoge efficiëntie hebben bij beide frequenties en de juiste impedantie aan de gelijkrichter tonen. Multibandrectennas hebben aangetoond dat ze succesvol zijn geoogst uit omgevingswifi- en cellulaire signalen.

Conclusie

Het ontwerpen van dual-band en multi-band antennes voor multifunctionele apparaten is een veelzijdige discipline die een diep begrip vereist van elektromagnetische theorie, materiaalwetenschap en systeemintegratie. Naarmate apparaten blijven krimpen en meer draadloze normen toevoegen, zal de druk op antenne ingenieurs alleen maar toenemen. Gelukkig biedt vooruitgang in simulatietools, herconfigureerbare componenten en adaptieve matching netwerken krachtige oplossingen. Door het volgen van de ontwerpprincipes en technieken die hier beschreven worden, zoals stub laden, meanderen, gekoppelde resonatoren en actieve herconfiguratie ..engineers kunnen antennes creëren die betrouwbare multi-band prestaties leveren in de meest krappe ruimtes. De toekomstige punten in de richting van data-gedreven optimalisatie, metamaterialen, en naadloze integratie met andere apparaatfuncties, zorgen ervoor dat onze steeds-verbonden apparaten in staat en compact blijven.