Достижения в миниатюрных антеннах Cdma для компактных мобильных устройств
Эволюция миниатюрных антенн CDMA
Неустанное стремление к более тонким, легким и более функциональным мобильным устройствам предъявляет чрезвычайные требования к инженерам антенн. Нигде это не является более очевидным, чем в области антенн с множественным доступом с разделением кода (CDMA), где необходимость уменьшать физический след при сохранении или даже улучшении электрических характеристик привела к волне инноваций за последнее десятилетие. Технология CDMA, которая лежит в основе устаревших сетей 3G и продолжает влиять на современные архитектуры 4G и 5G, требует антенн, которые обеспечивают согласованное качество сигнала в широком диапазоне частот, обрабатывают нескольких одновременных пользователей и надежно работают при наличии помех. По мере того, как корпуса устройств сокращаются и плотность компонентов повышается, традиционные монополи четвертичных волн и спиральные конструкции часто становятся непрактичными, заставляя инженеров принимать новые геометрии, материалы и методы изготовления.
В этой статье рассматриваются ключевые проблемы, недавние прорывы и новые тенденции в миниатюрной конструкции антенн CDMA для компактных мобильных устройств. От радиаторов с метаматериалами до реконфигурируемых архитектур, область переживает период быстрого развития, который обещает поддерживать надежность беспроводной связи, даже когда устройства продолжают сокращаться.
Основные проблемы в миниатюризации антенн CDMA
Уменьшение физического размера антенны неизбежно изменяет ее фундаментальные электрические характеристики. Для систем CDMA, которые полагаются на модуляцию с расширенным спектром и требуют стабильного импеданса по относительно широкой полосе пропускания, эти изменения могут быть особенно проблематичными. Центральной задачей является поддержание трех ключевых показателей производительности - усиления, пропускной способности и эффективности излучения - при установке антенны в часть пространства, ранее необходимого.
Размеры - Производительность Торговля
Наиболее фундаментальным ограничением в миниатюризации антенн является связь между электрическим размером и производительностью. Поскольку физические размеры антенны уменьшаются относительно рабочей длины волны, ее сопротивление излучения уменьшается, ее коэффициент качества (Q) увеличивается, а ее пропускная способность сужается. Для антенн CDMA, работающих в диапазонах 800 МГц и 1900 МГц, требуемая электрическая длина является существенной, но доступный объем внутри современного смартфона или модуля IoT измеряется в кубических миллиметрах. Инженеры ответили, используя извилистые структуры линии, которые складывают излучающий элемент в серпантинный рисунок для достижения необходимой электрической длины в компактной области. Посредничество действительно вводит омические потери и может снизить эффективность, но тщательная оптимизация ширины следов, расстояния и свойств подложки может смягчить эти эффекты.
Другой распространенный подход - использование фрактальной геометрии , такой как кривая Коха или прокладка Серпинского, которые используют самоподобные узоры для упаковки нескольких резонансных длин в небольшую область. Фрактальные антенны могут предложить многодиапазонную работу и улучшенное соответствие импедансу, но их производительность очень чувствительна к допускам изготовления. компромисс между миниатюризацией и эффективностью остается центральным напряжением в поле, и ни один подход к проектированию не доказал универсально оптимальный.
Импедансное совместимость и пропускная способность
Миниатюрные антенны обычно демонстрируют высокие изменения импеданса входа в рабочей полосе, что затрудняет широкополосное согласование. Для систем CDMA, которым может потребоваться покрывать частоты восходящей и нисходящей линии связи в пределах одной полосы, антенна должна поддерживать отношение стоячей волны напряжения (VSWR) ниже 2:1 в требуемом диапазоне. Традиционные сети согласования с использованием дискретных индукторов и конденсаторов добавляют количество компонентов и пространство платы, работая против цели миниатюризации. Распределенные методы согласования , такие как включение соответствующей структуры непосредственно в геометрию антенны, становятся все более популярными. Тщательно формируя точку подачи и добавляя интегрированные заглушки или слоты, дизайнеры могут достичь приемлемого соответствия без внешних компонентов.
Изоляция и помехи в мультиантеннах
Современные мобильные устройства часто содержат несколько антенн для сотовых, Wi-Fi, Bluetooth и GNSS, все они работают в непосредственной близости. Для конфигураций CDMA MIMO (многократная вводная многократная выдача) задачи умножаются: антенны должны не только быть небольшими, но и демонстрировать низкую взаимную связь для сохранения пропускной способности канала. Линии нейтрализации , , дефектные наземные структуры и электромагнитные разъемные материалы (EBG)] являются одними из методов, используемых для улучшения изоляции между близко расположенными радиаторами. Эти подходы могут уменьшить связь на 10-20 дБ без значительного увеличения общего объема, что позволяет компактным MIMO-решениям, которые обеспечивают повышение скорости передачи данных, требуется эволюция CDMA.
Материальные инновации, позволяющие использовать более мелкие антенны
Достижения в материаловедении сыграли важную роль в сжатии антенн CDMA без ущерба для производительности.Выбор материалов подложки и проводника напрямую влияет на электрическую длину антенны, потери и механическую гибкость.
Субстраты высокой пермиттивности
Используя материалы подложки с высокой относительной проницаемостью (εr), управляемая длина волны в структуре антенны уменьшается, позволяя физическим размерам сжиматься для заданной резонансной частоты. Керамические заполненные полимеры, такие как полимеры на основе титаната бария или диоксида титана, предлагают значения εr в диапазоне от 10 до 100 или более. Однако субстраты с высокой проницаемостью также имеют тенденцию концентрировать электрическое поле в диэлектрике, что может снизить эффективность излучения и сузить полосу пропускания. Недавние работы были сосредоточены на субстратах с градиентной проницаемостью и искусственных диэлектрических слоях , которые обеспечивают высокую эффективную проницаемость в области ближнего поля, позволяя эффективному излучению в свободное пространство.
Гибкие и конформируемые материалы
По мере того, как устройства принимают изогнутые дисплеи и эргономичные контуры, жесткие антенны с печатной схемой уступают место гибким и растягивающимся альтернативам. Жидкокристаллический полимер (LCP) и полимидные пленки обеспечивают низкие потери на микроволновых частотах, позволяя антенне быть согнутой или сложенной, чтобы соответствовать доступному пространству. Проводящие чернила на основе серебряных нанопроводов или графена позволяют печатать антенны на бумаге, ткани или пластиковых подложках, открывая дверь для действительно конформных конструкций. Эти гибкие антенны могут быть непосредственно интегрированы в корпуса устройств, устраняя необходимость в отдельных антенных носителях и экономя дополнительное пространство.
Магнитные и магнито-диэлектрические материалы
Возникающий класс материалов сочетает в себе как магнитные, так и диэлектрические свойства для достижения миниатюризации с уменьшением полосы пропускания. Магнито-диэлектрические материалы, такие как ферритовые композиты, могут понижать резонансную частоту антенны при сохранении более низкого коэффициента качества, чем чисто диэлектрические подложки. Это позволяет использовать более широкую полосу пропускания в меньшем объеме, что является значительным преимуществом для систем CDMA, которые должны вмещать несколько каналов. Практические проблемы остаются в достижении низких магнитных потерь на клеточных частотах и в интеграции этих материалов со стандартными производственными процессами.
Прорывы в архитектуре Antenna
Помимо материалов, новые архитектурные подходы произвели революцию в дизайне миниатюрных антенн CDMA. Эти методы манипулируют электромагнитными полями способами, которые были невозможны с обычными конструкциями.
Метаматериал-вдохновленные проекты
Метаматериалы — искусственно структурированные материалы, которые проявляют электромагнитные свойства, не встречающиеся в природе, — были применены к миниатюризации антенн с замечательным успехом. Композитные структуры линии передачи с правой / левой рукой (CRLH), например, могут поддерживать распространение обратной волны и продвижение фазы, позволяя антенне резонировать на гораздо более низкой частоте, чем предполагал бы ее физический размер. Негативно-рефракционно-индекс и , эпсилон-отрицательные ячейки блока метаматериала могут быть встроены непосредственно в геометрию антенны, чтобы уменьшить площадь на 30-50% при сохранении приемлемого усиления. Для приложений CDMA загрузка метаматериала была особенно эффективной в диапазоне 800-900 МГц, где традиционные конструкции четвертичных волн были бы непомерно большими. Исследование, опубликованное в Scientific Reports , описывает миниатюрную антенну CRLH, которая работает по всей полосе CDMA
MIMO и интеграция с фазированными массивами
Переход от одноантеннных CDMA-систем к MIMO-конфигурациям привел к новым подходам к проектированию компактных массивов. Вместо размещения идентичных элементов бок о бок — что неизбежно увеличивает общий охват — инженеры разрабатывают , которые используют поляризацию и разнообразие шаблонов для достижения некоррелированных каналов в небольшом объеме. Например, пара скрещенных диполей с интегрированными балунами может обеспечить два пространственных потока в том же пространстве, что и одна обычная антенна. Фазовые массивы с лучевым управлением, ранее зарезервированные для военных радаров, теперь миниатюризируются для потребительских устройств. Используя фазовые сдвигатели и переменные усилители усиления , интегрированные в антенную сеть подачи, эти массивы могут направлять паттерн излучения для улучшения качества сигнала и уменьшения помех — важная возможность для систем CDMA, которые разделяют спектр среди многих пользователей. Статья 2023 IEEE, работающая на частоте 1,9 Г
Реконфигурируемые и самонастраивающиеся антенны
Существенное ограничение антенн фиксированной геометрии заключается в том, что они оптимизированы для одной полосы частот или узкого набора условий. Устройства CDMA должны работать в нескольких диапазонах и адаптироваться к различным сценариям пользователя - например, когда устройство удерживается в руке или прижимается к голове. Используют переключатели, варакторы или настраиваемые материалы для динамической настройки их резонансной частоты, импеданса или шаблона излучения. Включая PIN-диодные переключатели или микроэлектромеханические системы (MEMS) в структуру антенны, электрическая длина может быть изменена в реальном времени, позволяя одной антенне покрывать полосу CDMA 800 МГц, полосу PCS 1900 МГц и даже частоты среднего диапазона 5G. Самонастраиваемые сети импедансного соответствия, часто основанные на цифровой настраиваемых конденсаторах, могут компенсировать разрядку, вызванную близостью пользователя, восстанавливая эффективность антенны в реальных условиях. Эти адаптивные конструкции не только улучшают производительность, но и уменьшают потребность в нескольких выделенных антеннах, эконом
Передовые технологии производства и интеграции
То, как антенна изготавливается и интегрируется в устройство, так же важно, как и ее электромагнитная конструкция. Новые технологии производства позволяют использовать антенны, которые ранее было невозможно реализовать.
3D-печать и аддитивное производство
Аддитивное производство открыло новые степени свободы в геометрии антенн. Конформные антенны могут быть напечатаны непосредственно на внутренних поверхностях корпуса устройства, используя аддитивное производство прямого печати (DPAM) или аэрозольную струйную печать для нанесения проводящих следов в трехмерных формах. Это позволяет антенне занимать объем, который в противном случае был бы пустым — например, углы устройства — что делает более эффективным использование доступного пространства. Лазерная прямая структура (LDS), в которой лазер активирует пластиковую подложку для селективной металлизации, стала стандартным процессом для встраивания антенн в корпуса мобильных телефонов. Метод дает высокоточные следы с превосходной адгезией и может производить сложные 3D меандровые узоры, которые было бы трудно достичь с травлением. Исследования в аддитивном производстве сообщает о 3D-печатной фрактальной антенне CD
LTCC и многослойные субстраты
Технология низкотемпературной коагрегированной керамики (LTCC) позволяет укладывать несколько диэлектрических слоев со встроенными проводящими узорами, позволяя интегрировать антенну в трехмерный модуль. Подложки LTCC предлагают стабильные диэлектрические свойства, низкие потери и отличное управление температурой, что делает их пригодными для компактных RF-фронтальных модулей, которые объединяют антенну, соответствующую сеть и фильтры в одной упаковке. Путем встраивания антенны в модуль, а не размещения ее на поверхности платы, можно сохранить значительную площадь платы. Типичные антенны LTCC для приложений CDMA измеряют всего 5 × 3 × 1 мм и могут быть установлены на поверхности вместе с другими компонентами, снижая сложность сборки.
Будущие направления и нерешенные проблемы
Несмотря на впечатляющий прогресс последнего десятилетия, миниатюрная конструкция антенн CDMA продолжает представлять открытые проблемы. В ближайшие годы, вероятно, будет наблюдаться значительная активность в следующих областях.
AI-Driven и автоматизированный дизайн
Традиционный дизайн антенны опирается на итерационное моделирование и инженерное суждение, процесс, который становится все более трудоемким по мере того, как геометрия становится все более сложной. Машинное обучение, особенно глубокие нейронные сети, применяется для ускорения цикла проектирования. Нейронная сеть может быть обучена на большом наборе данных геометрий антенн и их смоделированной производительности, а затем используется для прогнозирования оптимальных размеров для заданного набора ограничений - размера, частоты, эффективности и пропускной способности. ] Обратный дизайн ] алгоритмы, используя такие методы, как генеративные состязательные сети (GAN) или байесовская оптимизация, могут создавать совершенно новые топологии антенн, которые дизайнеры-люди могут не зачать. Эти инструменты все еще находятся на стадии исследования, но имеют потенциал для резкого сокращения циклов разработки и производства антенн с производительностью, которая превосходит текущие оптимизированные вручную проекты.
Интеграция активных компонентов
Будущие антенны размывают линию между радиатором и схемой. Интегрируя усилители, фазовые сдвигатели и фильтрацию непосредственно в структуру антенны — иногда называемые «активными интегрированными антеннами» — разработчики могут устранить потери, связанные с линиями передачи и разъемами. Это особенно важно для вариантов CDMA миллиметрового диапазона, где потери сигнала в кабелях и следах становятся непомерно высокими. Антенны на чипе, изготовленные непосредственно в кремниевой подложке с использованием стандартных CMOS-процессов, также приобретают интерес к ультракомпактным модулям IoT. В то время как эффективность антенн на чипе в настоящее время ограничена убыточным кремниевым субстратом, достижения в истончении подложек и микрообработке неуклонно улучшают их жизнеспособность. Обзор в Electronics обзоры последних работ по интегрированным в кремний антеннам и прогнозирует практическое применение CDMA на суб-6 ГГц в течение следующих пяти лет.
Уборка энергии и одновременная энергия и данные
По мере того, как мобильные устройства становятся все более распространенными в IoT и носимых контекстах, способность собирать окружающую радиочастотную энергию становится привлекательной. Миниатюрные антенны CDMA, которые могут одновременно принимать сигналы связи и собирать энергию для зарядки аккумулятора или питания датчиков, являются активной темой исследования. Ректенны - антенны в сочетании с выпрямителями - должны быть высокоэффективными по всему диапазону CDMA, оставаясь компактными. Многофункциональные антенны, которые поддерживают передачу мощности и передачу данных без взаимных помех, могут уменьшить количество отдельных компонентов в устройстве, освобождая пространство для других функций.
Заключение
Путь к меньшим, более способным антеннам CDMA для компактных мобильных устройств был отмечен непрерывными инновациями в материалах, архитектурах и методах производства. Инженеры научились работать в рамках фундаментальных ограничений физики - компромисс между размером и пропускной способностью, проблемы соответствия импедансу, необходимость изоляции в плотно упакованных массивах - при этом расширяя границы того, что практически достижимо. Загрузка метаматериалов, гибкие подложки, реконфигурируемые конструкции и аддитивное производство способствовали устойчивому сокращению площади антенны без ущерба для производительности, которая требуется системам CDMA.
По мере того, как мобильные технологии эволюционируют в 5G и за ее пределами, CDMA будет оставаться актуальной для устаревшей поддержки и для приложений IoT, которые извлекают выгоду из своих надежных возможностей множественного доступа. Методы миниатюризации, разработанные для антенн CDMA, также могут быть перенесены на более новые стандарты, гарантируя, что инвестиции в исследования и разработки продолжают приносить дивиденды. Следующее поколение компактных мобильных устройств, вероятно, будет включать антенны, которые не только меньше, но и умнее - способны адаптироваться, самонастраиваться и интегрироваться с окружающей электроникой. Для дизайнеров и производителей проблема ясна: обеспечить производительность пользователей в сокращающихся пространствах, которые требует современный промышленный дизайн. Достижения, описанные в этой статье, демонстрируют, что отрасль находится на пути к решению этой проблемы.