Технология VIRTUAL ANTENNA™– универсальное решение для IoT-устройств со встроенными антеннами. Часть 1

Данный цикл публикаций включает переводы двух статей, посвященных новой технологии VIRTUAL ANTENNA™ и усилителя mXTENDTM от компании Fractus Antennas. В первой статье анализируется эволюция антенн сотовых телефонов, рассказывается об основных особенностях новой технологии VIRTUAL ANTENNA™ и усилителя mXTENDTM, а также рассматривается отладочная плата EB_FR01-S4-250-UFL2R с двумя антенными бустерами mXTENDTM.
1725
В избранное

Данный цикл публикаций включает переводы двух статей, посвященных новой технологии VIRTUAL ANTENNA™ и усилителя mXTENDTM от компании Fractus Antennas. В первой статье («Finally, One Size Fits All») анализируется эволюция антенн сотовых телефонов, рассказывается об основных особенностях новой технологии VIRTUAL ANTENNA™ и усилителя mXTENDTM, а также рассматривается отладочная плата EB_FR01-S4-250-UFL2R с двумя антенными бустерами mXTENDTM.

Современные вызовы и цели

Внедрение новых частотных диапазонов и технологий, например LTE и MIMO, создает дополнительные проблемы при интеграции традиционных антенн в мобильные телефоны:

  • Необходимость увеличения числа антенн для поддержки различных частотных диапазонов
  • Необходимость поддержки частотных диапазонов новых стандартов
  • Проблема взаимодействия с другими антеннами, например, предназначенными для Wi-Fi и GPS
  • Увеличение числа дискретных компонентов, используемых в согласующих цепях, мультиплексорах, усилителях мощности и т. д.
  • Постоянное ужесточение требований к габаритным размерам, весу и уровню потребления

Новая технология Virtual AntennaTM позволяет не только решить перечисленные проблемы, но и существенно упростить процесс разработки встроенных антенн для мобильных устройств.

Универсальное решение для всех задач

Быстрая эволюция устройств беспроводной связи приводит к возрастанию давления на производителей мобильных устройств, так как они должны все быстрее выводить новые продукты на рынок. Одним из важнейших элементов беспроводного мобильного устройства является радиочастотный интерфейс и, в частности, антенна. В настоящее время в большинстве мобильных устройств используется уникальная антенна, что становится большой головной болью для разработчиков. Новая технология Virtual AntennaTM создавалась специально для решения этой конкретной проблемы. Virtual AntennaTM предлагает использовать новый универсальный миниатюрный усилитель mXTENDTM, который позволяет отказаться от уникальных антенн практически в каждом мобильном устройстве (рис. 1).

Антенный усилитель mXTENDTM

Рис. 1. Антенный усилитель mXTENDTM (в центре) может заменить множество специализированных антенн мобильных устройств (вокруг)

Антенны мобильных телефонов претерпели значительное эволюционное развитие, пройдя путь от оригинальных внешних антенн, работающих в одном или двух частотных диапазонах, до встроенных многодиапазонных антенн, позволяющих смартфонам работать в стандартах 2G, 3G и 4G во многих регионах мира (рис. 2).

Эволюция мобильных телефонов. Переход от устройств с внешними антеннами к устройствам со встроенными антеннами

Рис. 2. Эволюция мобильных телефонов. Переход от устройств с внешними антеннами к устройствам со встроенными антеннами

Как уже было сказано ранее, рынок оказывает существенное давление на производителей. Это давление заключается в том, что пользователи хотят получать мобильные телефоны, способные выполнять сложные функции, а для этого требуется обеспечить качественную связь и высокую скорость передачи данных. Речь, например, идет о функциях передачи видео и голоса, видеоконференциях и т. д. Реализация этих услуг и функций в современных телефонах дополнительно осложняется ужесточением требований к весу, габаритам и потреблению самого телефона и его составных частей. Все это касается и антенн.

Современные мобильные платформы подразумевают создание уникальной антенны для каждого мобильного устройства. Это значительно повышает сложность проектирования устройства, что в свою очередь приводит к замедлению его вывода на рынок при одновременном увеличении затрат на разработку и изготовление.

Сложность проектирования антенны мобильного телефона возрастает вместе с увеличением числа поддерживаемых частотных диапазонов. Как правило, чем больше диапазонов должна поддерживать антенна, тем больше будут ее габаритные размеры и тем сложнее будет ее геометрическая конструкция. Традиционный подход при проектировании антенн подразумевает именно использование сложных геометрических конструкций для получения требуемых габаритов и эффективности [1], [2]. Таким образом, следует еще раз отметить, что чем больше частотных диапазонов должна поддерживать антенна, тем сложнее будет ее разместить в ограниченном пространстве корпуса мобильного телефона.

Такой подход неизбежно сталкивается с физическим ограничением минимального размера антенн [3]. Дело в том, что для антенн существует минимальный геометрический размер, определяемый длиной волны излучения с минимальной частотой. Дальнейшее уменьшение размеров антенны приводит к быстрому уменьшению полосы пропускания и эффективности. Известно, что антенна входит в режим «малой антенны», когда ее общий размер меньше, чем λ/ π. Для сотовой связи телефонов рабочая частота составляет 824 МГц, тогда с учетом соответствующей длины волны, указанный предельный геометрический размер оказывается равен 120 мм, что примерно вдвое больше ширины верхней части мобильного телефона, где обычно расположена антенна. Это означает, что антенны современных мобильных телефонов, даже если речь идет о больших моделях, работают в режиме малой антенны, и поэтому для них характерны ограничения полосы пропускания и эффективности. Другими словами, для дальнейшего уменьшения размеров антенн разработчики должны решить фундаментальную проблему, которая сдерживала развитие антенн на протяжении десятилетий.

Помимо этих фундаментальных физических ограничений, существуют и другие конструктивные сложности, которые создают дополнительные препятствия при интеграции антенны в мобильную платформу. Например, эффективность работы антенны сильно зависит от особенностей конструкции телефона, то есть от того, каким образом в нем расположены другие элементы, например, батарея, дисплей, экраны, крышки и т. д. При проектировании антенны разработчик должен учитывать не только частоты, полосы пропускания, геометрические размеры и ограничения эффективности, присущие конструкции каждой антенны, но и электромагнитное взаимодействие со всеми соседними элементами телефона. Это приводит к тому, что проектирование антенны превращается в трудоемкий и дорогостоящий итеративный процесс, в котором чередуются фазы разработки, интеграции и оптимизации (рис. 3).

fractus_3.png (27 KB)

Рис. 3. Цикл разработки мобильного устройства: проектирование телефона и антенны выполняется параллельно в едином сложном итеративном процессе

Технология Virtual AntennaTM создавалась для того, чтобы упростить процесс проектирования, сократить время выхода устройств на рынок и снизить стоимость конечных изделий. Решение, предлагаемое компанией Fractus Antennas, подразумевает использование усилителя антенны mXTENDTM, который позволяет заменить уникальные антенны большого размера на миниатюрные стандартные антенны. С помощью mXTENDTM  можно создать эффективное стандартизированное решение, подходящее для нескольких телефонов, использующих одну и ту же платформу, но с различными форм-факторами. Изначально новая технология Virtual AntennaTM разрабатывалась для упрощения процесса перехода с 3G на 4G, однако теперь она позволяет сделать значительный шаг вперед в эволюции мобильных телефонов (рис. 4).

Пятнадцать лет эволюции антенн мобильных телефонов

Рис. 4. Пятнадцать лет эволюции антенн мобильных телефонов

Слева (рис. 4): первая двухдиапазонная встроенная антенна, полученная путем объединения двух антенн (1999 год). В центре: современная антенна, со сложной конструкцией и поддержкой пяти частотных диапазонов (2011 год). Справа: усилитель mXTENDTM, позволяющий заменить обе антенны (2013 год).

Технология Virtual AntennaTM

Технология Virtual AntennaTM переворачивает традиционный подход к проектированию антенн для мобильных телефонов. Как правило, современные мобильные антенны должны поддерживать работу в нескольких частотных диапазонах. Это означает, что антенна должна эффективно взаимодействовать с различными длинами волн, что приводит к необходимости использования антенн со сложной геометрией и значительными геометрическими размерами. Как отмечалось выше, сложность антенны возрастает вместе с увеличением количества поддерживаемых частотных диапазонов и уменьшением размера антенного элемента. Каким же образом антенный усилитель mXTENDTM от Fractus, размер которого, как правило, в 10 раз меньше традиционной антенны, поможет преодолеть существующие ограничения? Ключевым аспектом новой технологии является оптимизация излучения, проходящего через плоскость заземления и другие проводящие элементы, присутствующие в любой мобильной платформе. Благодаря этой оптимизации в широком спектре беспроводных устройств размеры антенных элементов могут быть значительно уменьшены при обеспечении требуемых электромагнитных характеристик [4] - [20].

В современных мобильных телефонах антенна подключается к приемному модулю (Front End Module, FEM) с помощью одного порта ввода-вывода. Это существенно усложняет проектирование согласующих цепочек и самого FEM-модуля. В частности, чтобы разделять и обрабатывать каждую полосу частот отдельно, требуются более сложные согласующие цепи, более сложные фильтры и усилители, что повышает сложность и стоимость всей системы, а также приводит к увеличению потерь. Кроме того, для современных мобильных устройств свободное место на печатной плате становится все более дефицитным и ценным ресурсом. Поэтому любое решение, способное упростить электронику и минимизировать площадь, занимаемую на печатной плате, становится чрезвычайно привлекательным для разработчиков. Технология Virtual AntennaTM объединяет один или несколько антенных усилителей mXTENDTM с одной или несколькими согласующими цепочками для обеспечения много- или однопортового внешнего интерфейса антенны, который полностью соответствует параметрам ВЧ-тракта FEM-модуля.

Усилитель mXTENDTM

Антенный усилитель mXTENDTM – это миниатюрный универсальный компонент, созданный специально для работы с частотными диапазонами мобильных устройств. mXTENDTM предназначен для автоматизированного поверхностного монтажа (SMD) и может устанавливаться на печатную плату с помощью автоматизированных установщиков [11]. Использование SMD-технологии и возможность применения автоматизированного монтажа обеспечивает существенные преимущества с точки зрения производительности труда и стоимости производства. По сравнению с другими современными антенными решениями габаритные размеры антенного усилителя mXTENDTM оказываются на порядок меньше (то есть меньше в 10 раз) (рис. 5). mXTENDTM способен не только работать с частотными диапазонами, используемыми в современных мобильных устройствах (GSM850, GSM900, GSM1800, GSM1900 и UMTS ...), но также позволяет выполнить переход на диапазоны LTE и последующих поколений (LTE700, LTE2100, LTE2300, LTE2500).

Внешний вид усилителя mXTENDTM (наименование FR01-S4-250)

Рис. 5. Внешний вид усилителя mXTENDTM (наименование FR01-S4-250). Объем компонента составляет всего 125 мм3

Отладочная плата

Электромагнитные характеристики новой технологии были испытаны с помощью оценочной платы (наименование при заказе: EB_FR01-S4-250-UFL21), которая имеет размеры, сопоставимые с размерами типовых современных смартфонов (длина 120 мм и ширина 60 мм). В оценочной плате используется обычной стеклотекстолит FR4 толщиной 1 мм. На плате размещены два антенных усилителя mXTENDTM, расположенные по углам верхней стороны платы. Каждый усилитель отвечает за работу в определенной частотной области. Первый усилитель работает с низкочастотным диапазоном (824–960 МГц), содержащим частотные полосы стандартов GSM850 и GSM900, а второй усилитель отвечает за высокочастотную область (1710- 2690 МГц), в которой расположены частотные полосы стандартов GSM1800/ DCS, GSM1900/ PCS, UMTS, LTE2100, LTE2300 и LTE2500. Таким образом, данная плата перекрывает гигагерцовый диапазон частот с помощью миниатюрных компонентов, занимающих суммарный объем всего 250 мм3 (рис. 6).

Оценочная плата (наименование EB_FR01-S4-250-UFL2R) с двумя антенными бустерами mXTENDTM (наименование FR01-S4-250)

Рис. 6. Оценочная плата (наименование EB_FR01-S4-250-UFL2R) с двумя антенными бустерами mXTENDTM (наименование FR01-S4-250)

Согласующие цепочки

Согласующая цепь для усилителя низкочастотной области состоит из последовательной индуктивности, параллельного резонатора [4] - [5], [12] - [13], [21], и ступени тонкой настройки в виде последовательного конденсатора (рис. 7). Согласующая цепь для усилителя высокочастотной области состоит из последовательной индуктивности, шунтирующей индуктивности и последовательного конденсатора (рис. 8). Разъемы SMA для подключения внешних антенн соединяются с усилителями с помощью кабелей UFL 3. Таким образом, отладочная плата представляет собой двухпортовое решение (рис. 6).

Согласующая цепь, предназначенная для области низких частот (824–960 МГц) и использующая общедоступные компоненты SMD 0402

Рис. 7. Согласующая цепь, предназначенная для области низких частот (824–960 МГц) и использующая общедоступные компоненты SMD 0402

 Согласующая цепь, предназначенная для высокочастотной области (1710–2690 МГц) и использующая общедоступные компоненты SMD 0402

Рис. 8. Согласующая цепь, предназначенная для высокочастотной области (1710–2690 МГц) и использующая общедоступные компоненты SMD 0402

Преимущество такой двухпортовой системы над существующими решениями с одним входом/ выходом состоит в упрощении согласующих цепей FEM-модуля (FEM). В данном случае не требуется дополнительных согласующих цепочек или фильтрующих ступеней, которые необходимы для объединения двух портов в один. Соответственно, количество дополнительных дискретных элементов сводится к минимуму, а вместе с этим уменьшается сложность и уровень омических потерь. Кроме того, поскольку сигналы низких и высоких частот не объединены в один порт ввода-вывода, то отпадает необходимость в их разделении с помощью мультиплексоров. Таким образом, число фильтрующих ступеней FEM-модуле также уменьшается, что опять-таки приводит к уменьшению сложности и потерь. Тем не менее, при необходимости Fractus также предлагает своим клиентам и объединенное однопортовое решение. В дополнение к рассмотренным выше согласующим цепям это однопортовое решение дополнительно содержит диплексор [12] - [13].

VSWR и общая эффективность

Каждый порт имеет собственные значения коэффициента стоячей волны (Voltage Standing Wave Ratio, VSWR) и КПД. КПД был измерен в безэховой камере Satimo Stargate-32 путем трехмерной интеграции диаграмм направленности и учетом омических потерь и потерь рассогласования [4]:

htotal =hrad ×(1- |S11|2) (1)

Как говорилось выше, усилитель антенны mXTENDTM, подключенный к порту 1 (рис. 6), обеспечивает работу в низкочастотной области, содержащий частотные полосы стандартов связи GSM850 и GSM900 (рис. 9 и таблица 1). Второй усилитель mXTENDTM, подключенный к порту 2, предназначен для покрытия высокочастотной области, в которой работают стандарты GSM1800/ DCS, GSM1900/ PCS, UMTS/ LTE2100, LTE2300 и LTE2500 (рис. 10 и таблица 1).

Таблица 1. Технические характеристики (VSWR и полный КПД) усилителей mXTENDTM, полученные при использовании оценочной платы EB_FR01-S4-250 (рис. 6).

Параметр Частотный диапазон
824...960 МГц 1710...2690 МГц
Минимальный КПД 46% 66%
Максимальный КПД 65% 84%
Средний КПД >55% >75%
VSWR  3:01 3:01

 

Характеристики усилителя mXTENDTM в низкочастотном диапазоне (824-960 МГц) измеренные на входе/выходе 1 (см. рис. 6) Характеристики усилителя mXTENDTM в высокочастотном диапазоне (1710-2690 МГц) измеренные на входе/выходе 2 (см. рис. 6)

Рис. 9. Характеристики усилителя mXTENDTM в низкочастотном диапазоне (824-960 МГц) измеренные на входе/выходе 1 (см. рис. 6)

Рис. 10. Характеристики усилителя mXTENDTM в высокочастотном диапазоне (1710-2690 МГц) измеренные на входе/выходе 2 (см. рис. 6)

Диаграммы направленности и удельный коэффициент поглощения электромагнитной энергии (SAR)

Диаграммы направленности (phi = 0º, phi = 90º и theta = 90º), а также их трехмерные графики были построены для основных низких и высоких частот (Таблица 2). Результаты измерений показали, что предлагаемая антенная система является всенаправленной. Диаграмма в области низких частот имеет практически идеальную круглую форму в плоскости phi = 0º и минимум в направлении продольной оси (оси y), что характерно для мобильных телефонов. Таким образом, такая диаграмма направленности оказывается подходящей для мобильной связи.

Таблица 2. Технические характеристики системы (Динамический диапазон: 30 дБ).

Параметр Частотный диапазон
824...960 МГц 1710...2690 МГц
Минимальное усиление -0,4 дБ 1,8 дБ
Максимальное усиление 1,4 дБ 3,6 дБ
Средний коэффициент усиления 0,5 дБ 2,6 дБ
Направленность всенаправленная
Поляризация Линейная
Вес 0,25 г
Диапазон рабочих температур -40...+85º C
Импеданс 50 Ом
Габаритные размеры 5,0 x 5,0 x 5,0 мм
Минимальная изоляция между портами 1 и ц 31дБс (при 935 МГц)

Испытательная установка в безэховой камере Satimo Stargate-32 и диаграммы направленности

Рис. 11. Испытательная установка в безэховой камере Satimo Stargate-32 и диаграммы направленности

Биологическая совместимость и влияние антенных усилителей Fractus на пользователей описаны в [14] - [15]. Результаты показывают, что при использовании антенных усилителей mXTENDTM реально получить удельный коэффициент поглощения электромагнитной энергии (Specific Absorption Rate, SAR) ниже, чем значения, разрешенные существующими стандартами (американский стандарт (ANSI / IEEE): 1,6 мВт / г (1 г) и европейский стандарт (ICNIRP) 2 мВт / г (10 г)). Уровень SAR становятся особенно низкими, когда усилители размещены в нижней части печатной платы. Кроме того, устройство с двумя усилителями обеспечивает устойчивость к внутренней расстройке, поскольку блокировка одного из усилителей оказывает незначительное влияние на производительность другого [10], [18].

Мобильная связь стала проще

Технология Fractus Virtual AntennaTM создавалась для того, чтобы сделать разработку мобильных устройств проще, быстрее и экономичнее. При использовании модульных антенных усилителей mXTENDTM производители мобильных устройств получают следующие преимущества:

  • Решение проблемы ограничения свободного пространства в современных мобильных телефонах при сохранении электромагнитных характеристик.
  • Уменьшение габаритов антенн в десять раз. Усилитель антенны mXTENDTM представляет собой куб с размером граней всего 5 мм, что на порядок меньше, чем у антенн современных мобильных телефонов. При этом mXTENDTM обеспечивают требуемые электромагнитные характеристики.
  • Возможность создания линеек устройств с учетом новых технологий, таких как MIMO. Малые габариты mXTENDTM позволяют встраивать нескольких таких усилителей в одно устройство.
  • Новая технология VirtualAntennaTM обеспечивает модульность и адаптивность конструктивных решений для удовлетворения потребностей клиентов. Технология предлагает достаточную гибкость, позволяющую создавать устройства, работающие в узком и широком частотном диапазоне (гепта-диапазоне) без необходимости создания уникальных антенных решений. Это означает, что один и тот же усилитель mXTENDTM может использоваться для обеспечения работы в различных диапазонах частот от 824–960 МГц до 1710–2690 МГц.
  • С коммерческой точки зрения новое решение не только упрощает процесс проектирования, но и снижает затраты на производство, поскольку mXTENDTMможет использоваться в нескольких устройствах и платформах без каких-либо дополнительных доработок.

Таким образом, новая технология Virtual AntennaTM от Fractus Antennas, становится альтернативой традиционным антеннам для существующих и будущих многофункциональных беспроводных устройств.

Источник: https://www.fractusantennas.com/

Производитель: Fractus Antennas S.l.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
FR05-S1-N-0-102
FR05-S1-N-0-102
Fractus Antennas S.l.
Арт.: 3477353 ИНФО
Доступно: 2655 шт. от 44 шт. от 123,51
Выбрать
условия
поставки
COMPACT REACH XTEND - 102. 2.45GHz Bluetooth, WLAN, Zigbee™ Chip RF Antenna 2.4GHz ~ 2.5GHz 1.7dBi Solder Surface Mount
FR05-S1-N-0-102 от 44 шт. от 123,51
2655 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
FR01-S4-232
FR01-S4-232
Fractus Antennas S.l.
Арт.: 3487282 ИНФО
Доступно: 1478 шт. от 2000 шт. от 221,85
Выбрать
условия
поставки
BAR MXTEND - 232. 700MHz, 800MHz, 850MHz, 900MHz, 1.7GHz, 1.8GHz, 1.9GHz, 2GHz, 2.1GHz, 2.3GHz, 2.5GHz, 2.6GHz DCS, GSM, LTE, PCS, UMTS Chip RF Antenna 698MHz ~ 798MHz, 824MHz ~ 960MHz, 1.71GHz ~ 2.69GHz 1.3dBi, 0.3dBi, 3.8dBi Solder Surface Mount
FR01-S4-232 от 2000 шт. от 221,85
1478 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
FR01-S4-250
FR01-S4-250
Fractus Antennas S.l.
Арт.: 3491851 ИНФО PDF
Доступно: 855 шт. 818,52
Выбрать
условия
поставки
Миниатюрный универсальный усилитель для работы с частотными диапазонами мобильных устройств. Предназначен для автоматизированного поверхностного монтажа (SMD) и может устанавливаться на печатную плату с помощью автоматизированных установщиков
FR01-S4-250 818,52
855 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
EB_FR01-S4-250-UFL2R
EB_FR01-S4-250-UFL2R
Fractus Antennas S.l.
Арт.: 3491852 ИНФО PDF
Доступно: 43 шт. 5935,61
Выбрать
условия
поставки
Оценочная плата для разработки антенн Evaluation Board CUBE mXTENDTM 2 Ports UFL
EB_FR01-S4-250-UFL2R 5935,61
43 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()