Multiplexer erleichtern das 5G-Antennen-Design - Antennen - beam-Verlag
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Antennen
Multiplexer erleichtern das 5G-Antennen-
Design
Wachsende
HF-Komplexität führt
zu Problemen beim
Antennen-Design
Hersteller von Mobiltelefonen
stehen vor der immer wiederkeh-
renden Herausforderung, Wege
zu finden, um neue HF-Standards
zu unterstützen. Hierbei geht es
um mehr Bänder plus wachsende
Anforderungen an die Koexis-
tenz von mehreren Bändern,
auch wenn Trends beim Design
von Mobiltelefonen es erschwe-
ren, Antennen hinzuzufügen, um
diese Anforderungen zu erfüllen.
Ein typisches 4G-Telefon ent-
hält bereits vier bis acht Anten-
nen, und 5G-Telefone benötigen
noch mehr davon. Dies deshalb,
weil sie Unterstützung für 5G
und andere aufkommende Stan-
dards wie UWB hinzufügen
und weiterhin alle Frequenzen
Antennen- Wenn Hersteller neue 5G-Bän- empfangen lässt, während man
und Standards in 4G-Telefonen
Multiplexer lösen der, 4x4-MIMO und andere auf einem anderen Band sendet.
unterstützen müssen. Inzwi-
neue Anforderungen mit weni-
ein Hauptproblem, Übrigens kann man einen …ple- schen ist der Platz für Antennen
gen Antennen meistern wollen,
xer auch problemlos „andershe- ein kritischer Punkt geworden
mit dem Hersteller ohne dass dies Auswirkungen
rum“ betreiben. Also von einem durch das Schrumpfen der Größe
von 5G-Mobilteilen auf vorhandene Formfaktoren
Funkgerät ausgehend auf meh- von 5G-Telefonen und weil die
oder Funktionen hat, dann kom-
und anderen Geräten binieren sie mehrere Filter, um
rere Antennen verzweigen, die Hersteller neue Funktionen in
jeweils für genau einen Bandbe- Mobilteile packen, z.B. zusätz-
konfrontiert sind: mehreren Sendern den Betrieb
reich optimiert sind. So lassen liche Kameras oder Elektronik
die Bewältigung der an einer Antenne zu ermögli-
sich oft Kabel besser ausnutzen. zur Bewegungserkennung.
chen (Mobilfunk, WiFi, GPS,
dramatischen Zunahme Ultrabreitband). Durch die Ver-
der HF-Komplexität, wendung von Antenna-plexern
selbst wenn der den können Hersteller die vollen Vor-
teile von 5G nutzen, ohne ihre
Antennen zugewiesene Fähigkeit zu beeinträchtigen,
Platz weiter schrumpft. innovative Funktionen hinzuzu-
fügen, die Verbraucher anziehen.
Der Antenna-plexer
Viele Antennen sind auf mehre-
ren Frequenzen resonant. Zwei
oder mehr Funkgeräte gleichzei-
tig an einer solchen Antenne zu
betreiben, ermöglicht ein soge-
Quelle: nannter Diplexer, Triplexer oder
Through the 5G Antenna Multiplexer, auch Antenna-ple-
Design Maze with Antenna- xer genannt. Das ist im Prinzip
plexers, Oktober 2020, Qorvo, eine Frequenzweiche. Dabei ist
www.qorvo.com die Filterung so gut, dass sich Bild 1: Proportionaler Zusammenhang zwischen Verlust, Frequenznutzung
übersetzt von FS problemlos auf einem Band und Antennenfläche
20 hf-praxis 1/2021
Antennen
Dies ist die erste Verwendung konstruktionen sind weiterhin
des mmWave-Spektrums für erforderlich, um sicherzustellen,
kommerzielle Mobilfunkgeräte. dass dieses Spektrum verwendet
FR2 umfasst mehrere Bänder werden kann, während Mobil-
über 24 GHz (n257, n258, n260, teile gleichzeitig in Betrieb auf
n261). Die Ausbreitungsbedin- anderen Bändern sind.
gungen sind bei FR2-Frequenzen
eine Herausforderung. • UWB
5G-Telefone verwenden relativ UWB (Ultra-Wide-Band) ist eine
große Arrays mit drei bis vier relativ neue Technologie, die in
kleinen Antennen zur Erhöhung einzigartiger Weise eine äußerst
der Signalstärke und Strahlfor- präzise Ortungs- und Entfer-
mung (Beamforming). nungsmessung ermöglicht, sie
bietet eine Genauigkeit innerhalb
Um die Datenraten zu erhöhen, weniger Zentimeter. UWB wird
ist für die meisten 5G-Bänder auf verschiedene Anwendungen
4x4 MIMO erforderlich. Es in vielen verschiedenen Bran-
wird auch für bestehende LTE- chen angewendet einschließlich
Bänder verwendet, bei denen Proximity-Awareness-Anwen-
dies möglich und sinnvoll ist. dungen und Automobilanwen-
Dies erfordert vier zellularfä- dungen wie Keyless Car Entry
Bild 2: Reduzierung der HF-Leiterplatte und der Antenne von Jahr zu Jahr hige Antennen, zwei mehr als und Start.
bei herkömmlichen 4G-Mobil-
Dies führt zu Problemen mit holten Low-, Mid- und High- teilarchitekturen in Verwendung. Wie der Name schon sagt, sen-
der Antenneneffizienz, da die band-Frequenzen und andere Hier gibt es zwei unabhängige det UWB über eine sehr große
Effizienz einer Antenne (ihre Anforderungen an 4G-Telefone zellulare HF-Pfade, einen als Bandbreite (500 MHz oder
Fähigkeit, Verluste zu minimie- wie GPS Level 5 (L5), GPS/ primären Pfad und einen für die mehr). Anfängliche mobile De-
ren) proportional zur Antennen- GNSS, 2,4 GHz und 5 bis 7 GHz Diversität. signs verwenden Frequenzen
größe sowie zur Sendefrequenz WiFi (Wi-Fi 6E) abdecken. zwischen etwa 6,2 und 8,3 GHz.
ist (Bild 1). Wenn die Anzahl der • WiFi 6E und NR-U
UWB benötigt ein eigenes Array
Antennen zunimmt und die dafür Neue 5G-Bänder und Mit WiFi 6E erweitert sich das von drei bis vier Antennen, das
verfügbare Fläche schrumpft, Technologien für die WiFi-Nutzung verfüg- einen großen Anteil des kri-
wird es viel schwieriger, die bare nichtlizenzierte Spektrum tischen Speicherplatzes inner-
Antenneneffizienz und -isola- Um dramatisch höhere Daten- nicht nur mit einer komplexeren halb eines Mobilteils benötigt.
tion aufrechtzuerhalten, die für raten zu erzielen, verwendet 5G Modulation, sondern auch bis zu
die gute Funktion des Mobilteils ein neues hochfrequentes Breit- einer Obergrenze über 7 GHz, Die Schwierigkeit,
erforderlich sind. band-Mobilfunkspektrum. Dabei weit höher als die vorherige
gibt es zwei Hauptregionen des Obergrenze von 5850 MHz. mehr Antennen
Die HF-Komplexität steigt bei Spektrums, die beide über dem Dieses Spektrum wird auch vor-
zu Mobilteilen
5G-Telefonen dramatisch an, traditionell verwendeten Mobil- geschlagen für die Verwendung hinzuzufügen
da neue 5G-Bänder und Anfor- funk-Frequenzbereich liegen: durch 5G im nichtlizenzierten Neue HF-Anforderungen und
derungen wie 4x4 MIMO, • Frequenzbereich 1 (FR1) Spektrum (NR-U). Das zusätz- -Standards sind Trends, die beim
EUTRA Dual Connectivity (EN liche Spektrum von 1,2 GHz Smartphone- und Geräte-Design
Diese neuen Ultrahochbänder
DC)/Dual UL, mmWave sowie erhöht die verfügbare Band- das Hinzufügen von Antennen
(UHB) (n77, n78, n79) verwen-
Emerging-Standards wie UWB breite und Anzahl der Anwen- zwecks ausreichender Anten-
den ein Spektrum zwischen 3,3
hinzugefügt werden. Gleichzei- dungsfälle, die hohe Datenraten nenleistung erschweren. Eine
und 5 GHz.
tig müssen 5G-Telefone weiter- erfordern. Filterung und effizi- hohe Antennenleistung erfordert
hin alle vorhandenen und über- • Frequenzbereich 2 (FR2) entere Hochfrequenz-Antennen- ein ausreichendes Antennenvo-
lumen und einen ausreichenden
Abstand zu einer Umgebung,
welche die Effizienz mindert.
Leider reduzieren die sich ent-
wickelnden Smartphone-Designs
aber den Platz, der für Anten-
nen verfügbar ist, wie in Bild 2
dargestellt.
Blicken wir genauer auf diese
kritischen Trends:
• M etallrahmen und kleinere
Einfassungen, Glasrückseiten
und umlaufende Bildschirme
begrenzen den für Antennen
Bild 3: Antennenherausforderung in 5G-Mobilteilen: 5G erhöht die HF-Komplexität bei verfügbarer Antenne drastisch verfügbaren Bereich.
hf-praxis 1/2021 21
Antennen
Lösen von Antennen- Antenna-plexer können in Kom-
Design-Problemen mit bination mit anderen HF-Tech-
nologien verwendet werden, um
Antenna-plexern
die Antennenleistung weiter zu
Hersteller stehen vor einer optimieren und die reduzierte
schwierigen architektonischen Antennenfläche intelligenter zu
Entscheidung. Sie können nutzen. Die Antennenleistung
versuchen, mehr Antennen in kann durch Apertur- und Impe-
einen immer kleiner werdenden danzabstimmung erheblich ver-
Bereich zu pressen mit mög- bessert werden. Multiplexer sind
lichen Einbußen bei der Anten- Multifiltermodule, sie ermögli-
nenleistung und den daraus chen z.B. die Carrier Aggrega-
resultierenden Auswirkungen tion (CA), indem mehrere Bän-
auf die Gesamtleistung des der auf einem einzigen Weg zur
Mobilteils. Oder sie können eine Antenne erreicht werden.
neue Alternative verwenden:
Antenna-plexer, die den Bedarf Vorteile von
an Antennen reduzieren und die Antenna-plexern
mehrere HF-Filter kombinieren, Bild 5 ist eine Demonstration
Bild 4: Antennen-plexer, mit dem eine einzige Antenne für verschiedene um mehrere verschiedene Funk-
Anwendungen/Frequenzen genutzt werden kann der Architektur ohne Antenna-
geräte (Mobilfunk, WiFi, GPS, plexer. Antenna-plexer bieten
UWB) zu ermöglichen bei Erhö- eine breite Palette von Vortei-
• Das Hinzufügen von Funk- • N eue Designs zum Zusam- hung der Anzahl der Bänder, die
len einschließlich einer größeren
tionen, die für Verbraucher menklappen von Smartphones sie mit einer einzigen Antenne Design-Flexibilität für Mobilte-
vermeintlich attraktiv sind, reduzieren den verfügbaren gemeinsam nutzen können. Das lefonhersteller sowie eine effizi-
reduziert den Platz, der den Platz für Antennen, da Anten- bedeutet effizientes Hinzufü- entere Raumnutzung und gerin-
Antennen für das HF-Fron- nen nun im Scharnierbereich gen von Unterstützung für neue gere Kosten.
tend zugewiesen werden kann.
nicht platziert werden können. Bänder ohne Auswirkungen auf
Diese Funktionen verlangen vorhandene Formfaktoren oder • Design-Flexibilität
auch größere Batterien für Merkmale. Bild 4 zeigt einen Durch die Verwendung von
eine längere Batterielebens- • Wearables repräsentieren einen Antenna-plexer, mit dem eine Antennen-plexern haben Smart-
dauer und z.B. mehr Kameras schnell wachsenden Markt. einzelne Antenne gemeinsam
phone-Hersteller mehr Flexibili-
zwecks Bewegungserkennung, Ihre extrakleinen Formfak- für WiFi und auf mittleren und tät bei der Erstellung innovativer
Fingerabdruck-Nutzung und toren bieten sehr wenig Platz ultrahohen Frequenzen genutzt Smartphone-Designs. Durch
Gesichtserkennung. für Antennen. werden kann. die Reduzierung der Anzahl
der Antennen gibt es weni-
ger Design-Beschränkungen,
sodass das Hinzufügen anderer
Funktionen und das Realisieren
innovative Formfaktoren (z.B.
durch Falttelefone) einfacher
ist. Weniger Antennen bedeuten
auch weniger Antennenkerben
im Mobilteilgehäuse, was zu
einem ansprechenderen Erschei-
nungsbild des Mobilteils führt
und bedeutet, dass das Gehäuse
weniger schwache Punkte hat.
• Bessere Nutzung des verfüg-
baren Antennenbereichs
Mit Antennen-plexern können
Mobilteile den verfügbaren Platz
optimal nutzen: Antennenlei-
stung und -abstand können opti-
miert werden.
• Kostensenkung
Weniger Onboard-RF-Routing
senkt die Kosten und weniger
Antennen bedeuten, dass weni-
ger interne Kabel, Anschlüsse
und Federn benötigt werden.
Bild 5: Architektur ohne akustische Antennenplexer Anstatt separate Leitungen zu
22 hf-praxis 1/2021
Antennen
die für 5G, WiFi und UWB ver-
wendet werden.
Die Aufmachergrafik ist eine
Design-Demonstrieren mit
Antennen-plexern am Beispiel
eines Antennen-plexers, der vier
akustische Filter kombiniert,
um einer einzigen Antenne zu
ermöglichen, den Anwendungen
2,4- und 5-GHz-WiFi, L5 GPS
und GNSS zu dienen. Wie das
Leistungsdiagramm in Bild 6
zeigt, ist für jedes dieser Signale
ein geringer Einfügungsverlust
Bild 6: Blockdiagramm des Antenna-plexers und Leistungsdiagramm für seine Anwendung, wobei eine Antenne innerhalb des Durchlassbereichs
gemeinsam für 2,4- und 5-GHz-WiFi, L5 GPS und GNSS genutzt werden kann sowie ein hoher Grad an Isola-
tion zwischen den Signalen zu
verzeichnen.
routen, die zu mehreren Anten- Bändern zu sein. Die Reduzie- fache der niedrigsten Frequenz).
nen führen, können Hersteller rung der Anzahl der SKUs kann Der effektivste Weg, einen Zusammenfassung
eine kombinierte Leitung zu zu erheblichen Einsparungen Antennen-plexer zu verwen-
einer einzelnen Antenne verle- bei der Herstellung und bei den den, ist die Kombination von Antenna-plexer bieten eine ele-
gen. Dies spart Platz und redu- Lagerkosten führen. HF-Standards und Bändern, die gante Lösung für ein großes Pro-
ziert die Kosten. diese Resonanzfrequenzen ver- blem, mit dem alle Hersteller
Akustische wenden und daher eine einzelne von 5G-Mobilteilen und anderen
• Weniger SKUs Antenne effizient gemeinsam Geräten konfrontiert sind: Wie
Antennen-plexer in
nutzen können. kann die ständig wachsende HF-
Antennen-plexer ermöglichen 5G-Smartphones
Komplexität berücksichtigt wer-
eine größere potenzielle Wie-
Akustische Antennen-plexer Antennen-plexer, die auf aku- den, wenn der verfügbare Anten-
derverwendung von Anten-
können je nach den spezifischen stischen Filtern basieren, bieten nenbereich weiter schrumpft?
nenarchitekturen in verschie-
Anforderungen und auf viele im Allgemeinen die beste Lei-
denen Regionen, was bedeutet: Durch die Verwendung von
verschiedene Szenarien ange- stung, da sie eine Kombination
Hersteller benötigen weniger Antennen-plexern können Her-
wendet werden. Sie bieten von Adressierung der OOB-
Mobilteilmodelle (SKUs), um steller weiterhin innovative
Lösungen für die Herausforde- Zurückweisung für Multiband-
eine breite geografische Abde- Funktionen hinzufügen, die
rungen jedes Geräts.
ckung zu erhalten. Eine ein- Koexistenz und hohe Isolation Verbraucher anziehen, größere
zelne Antenne kann über meh- Jede Antenne arbeitet am effi- zwischen den Hochfrequenzen, Batterien vermeiden und mehr
rere Regionen hinweg verwen- zientesten bei Resonanzfre- die die Antenne teilen. ermögli- Kameras erlauben und somit die
det werden, statt abhängig von quenzen, die harmonisch mit- chen. Sie können auch die ultra- vollen Vorteile von 5G ermög-
den in jeder Region verwendeten einander verbunden sind (Viel- hohen Frequenzen unterstützen, lichen. ◄
Fachbücher für die
Praxis Aus dem Inhalt:
mplexe Zahlen -
Smith-Diagramm ith-Diagramm - Ko
Der Weg zum Sm limpulsen und kontinuierlichen
axisleitfaden ze
Reflexion bei Einflexionsfaktor - Rückflussdämpfung,-
Einführung und Pr Sinus sig na len - Re nsdiagramm
zahlreiche, gramme; Reflexio
Mü lle r, 21 x 28 cm, 117 Seiten, rlag 2009, ISBN VSWR, Kreisdia -Diagramm - CarterDiagrammn
Jo ac him
bildungen, beam-Ve Schmidt-Buschbeck ith-Diagramm; Kompensation vo
teilweise farbige AbArt.-Nr.: 118082, 29,80 € Sm
- Praxis mit dem tslinie über Frequenz - Leitung als ,
978-3-88 97 6-1 55 -2, das wichtigste , Or lange Leitung
m ist bis heute Blind an tei len
ktrisch kurze bzw.
Das Smith-Diagramchen Darstellung der Anpassung Transformator, ele Smith-Diagramm - Leitwert-Smith--
dli .
Instrument zur bildnis der Vorgänge in HF-Systemen S-Parameter und ellung von Leitwerten im Smith
zu m Ve rst än de t ma n zw ar
und en Fachliteratur
fin Diagramm - Darstlelschaltung von Bauelementenn
In der einschlägigSmith-Diagramm, sie erfordern abere Diagramm, Paral unter der Lupe - Ortslinien vo
viele Stellen zu m nntnisse: Ein
mathematische Ke e - Grundelemente Kapazitäten, das Bauelement Leitungl
meist erhebliche rung sucht man vergeblich. Dies Induktivitäten und ung mit dem L-Glied - Hilfsmitte -
dle ge nd e Ein füh ah e Ein füh ru ng
grun ses Buch als prax
isn . – Stubs - Anpasst dem Smith-Diagramm - Software
Lücke schließt die d die Handhabung des Diagramms für die Arbeit mi
in den Aufba u un ele ktr ote ch nis chen
sse die zu ein er Messtechnik
Mathematikkenntni , reichen dabei aus.
e
.beam-verlag.d
Ausb ild un g ge hö ren
ie u n te r w w w
nS
sa m te s B u c h p rogramm finde fo@ beam-verlag.de
Unser ge Sie ü b e r in
hf-praxis 1/2021 oder bestellen 23
Sie können auch lesen
