符合未来智能手机多频无线标准的紧凑型天线系统

符合未来智能手机多频无线标准的紧凑型天线系统

适用于智能手机未来多频段无线标准的紧凑型天线系统

作者：K. Koul，作者： GS、电池管理系统； 阿杰·K.，； L.罗德，武装部队

摘要：未来的智能手机将包含多种无线技术。 在不同无线频谱中运行的硬件将共存。 为了实现这些多硬件收发器，必须设计紧凑的天线系统，而不会显着影响各个天线的电气性能，并符合相应的标准。 它们必须能够在 6GHz 以下和毫米波频段运行。 这些系统还必须在物理上紧凑，其最小外形尺寸受到商用智能手机高度的限制。 本文介绍了5种设计方法。

当今市场上的大多数智能手机都集成了许多 6GHz 以下天线。 这些散热器尺寸小且辐射效率低。 天线增益不是设计过程中需要考虑的关键参数，因此它们在低增益下全向辐射。

然而，在毫米波频段工作的天线必须在不影响其外形尺寸的情况下提供高增益。 此外，毫米波天线必须阻抗匹配且宽带，以覆盖各自区域的现有 5G 频段。

虽然集成了多频天线，但必须保持 6GHz 以下和毫米波天线的性能完整性。 对于这两个频段，挑战在于如何以更小的外形尺寸实现这两个频段。 6GHz 以下天线和毫米波天线之间的相互耦合必须最小化。 毫米波 5G 天线的前向增益必须很高才能支持无线电链路。

本文通过实验结果来说明实现上述要求的几种设计策略。

设计限制

多倍频程载波系统的目的是增加分配给每个用户的带宽。 6GHz 以下天线系统必须与毫米波天线系统共同设计，以实现智能手机收发器的最佳功能。 1 通常，微波天线工作在 6GHz 以下的频率，而毫米波天线工作在 28GHz 频段； 确切的频率取决于地区和许可机构。 毫米波频段（28GHz）的载波频率是sub-6GHz频段（3.5GHz）的八次谐波。 因此，在这些频段工作的天线的协同设计具有挑战性。 2-4

图 1 显示了商用智能手机面板中集成的微波和毫米波天线的典型用途。 与毫米波天线的单向波束相反，6GHz 以下的天线是全向辐射的。 毫米波天线辐射的波束必须远离用户，以便与最近的基站建立可靠的高数据速率连接。

图1 智能手机中毫米波和微波天线的典型辐射特性。

商用智能手机上的可用空间如图2所示。时尚智能手机的物理尺寸约为8 × 6 × 0.7厘米，相当于3.5GHz sub-6GHz频段的0.93 × 0.7 × 0.08λ。 相同的物理尺寸对于28GHz毫米波频段相当于7.44×5.6×0.65λ。 5 共同设计或集成的天线系统必须符合移动设备的尺寸限制，且不会降低任一频段的性能。

图 2 典型智能手机内的可用电气空间。

此设计问题的最简单解决方案是将单个天线调谐到两个载波频率。 问题在于，该天线在 6GHz 以下的频段中运行得相当好，但在毫米波频段中增益和方向图完整性会显着恶化。 因此，本文探讨了各种多端口天线系统。

多端口天线系统设计实例

示例1

第一个天线系统如图3所示。端口1连接毫米波天线，端口2连接微波天线。 本文中介绍的所有设计都使用相同的术语。 毫米波天线在 20 毫米厚的 5880 基板上制造。 它是一个整体嵌入的馈电贴片天线阵列，天线元件之间具有标准的半波长间距。 6 个散热器与智能手机的面板对齐，而馈电网络位于正交平面上。 这种有角度弯曲的天线具有 10% 的阻抗带宽（见图 4）。