5G手机天线的仿真设计

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大家好，这里是【射频学堂】。

今天我们一起来学习一篇关于5G手机天线的仿真设计文章，原作者是Marc Rütschlin，文章初始发表在blogs.3ds.com，射频学堂翻译整理，以供大家学习。

文章全文如下：

5G就在我们身边。高数据速率通信的更高速度和实时交互的更低延迟的承诺对用户来说很有吸引力。这种组合不仅将提供像 360 度视频这样的新视频格式（到 2023 年视频流量预计将占所有移动数据流量的 73%），还将支持新技术，如自动驾驶、增强或虚拟现实交互，以及触觉互联网，应用范围从工业自动化和运输系统到医疗保健、教育和游戏。

手机天线设计对工程师来说一直是一个具有挑战性的课题，而设计天线以支持新的 5G 频段将进一步提高标准。两个频率范围最受关注：用于低于 6 GHz 频带通信的频率范围 1 和用于 24 GHz 以上毫米 (mm) 波频率的通信的频率范围 2。一些频段仍在讨论中，确切的频率名称将因地域而异。最初的电话集成主要集中在 6 GHz 以下的天线上，全球数百万用户已经拥有 5G 手机合同。毫米波支持最初用于为家庭或其他固定基础设施提供宽带链接，但也逐渐进入移动电话。

设计挑战

仿真在一般天线设计中发挥着重要作用，尤其是在设计紧凑型移动设备中高度定制的、单独定制的天线时。不过，这两个频率范围的挑战是不同的。

低于 6 GHz 天线

Sub 6 GHz 天线必须在紧凑型手机的环境中进行设计，适合所有其他组件之间的任何可用空间，这些组件密集地封装在设计团队指定的形状因子中。当然，不仅需要支持 5G 的天线。5G 将与现有的 4G、3G 和 Wi-Fi 通信信道一起使用。这增加了要集成到手机中的天线数量，特别是因为这些标准中的大多数还包括对大规模输入大规模输出 (MIMO) 多天线操作的支持。即使单个元件可以同时满足不同的标准，仍然需要容纳至少六根天线。

在密集的紧凑型手机中寻找天线空间是很困难的。

天线不仅用作传统意义上的独立“天线”，而且与手机的其余部分有很强的交互作用。了解手机的谐振行为很重要，因为天线会将能量耦合到自然的手机谐振中。这些在很大程度上取决于内部结构的确切配置，其可以随着设计周期而改变。因此，在完整的手机环境中设计天线至关重要，材料、组件和它们之间的连接以足够的保真度建模。

与电话共振的耦合强烈依赖于天线位置。

天线在手机中的最佳放置以及彼此之间的最佳放置对其性能至关重要。几毫米的定位变化将导致性能良好和性能不佳的系统之间的差异。天线工程师必须能够快速响应设计变更。如果要在较短的设备设计周期的紧迫时间限制内实现良好的天线设计，立即访问设计更改描述、用于仿真模型设置的高效工作流程，当然还有高效的仿真算法，这些都极其重要。

毫米波天线

移动数据流量不断增长的需求将需要毫米波通信来补充低于 6 GHz 的大规模 MIMO。移动设备中毫米波天线集成的研究正在进行中。28 GHz 或以上天线的物理尺寸较小，因此使用芯片集成阵列（通常包含四个元件）是一个有趣的选择。这些天线具有高增益并支持多个波束，从而实现了在手机周围各个方向提供高质量数据链路的设计目标。

将芯片天线放置在塑料盖后面会显着改变其辐射性能。

来自 2 毫米厚 ABS 塑料盖后面的天线的辐射。

在这种情况下，天线设计与整个电话结构的耦合不像在较低频率时那么紧密。相反，挑战之一是将天线集成到设备后面的盖子中，在毫米波频率下，盖子不再是电薄的，因此对天线的辐射性能有重大影响。航空航天工业中用于天线罩设计的技术在这里得到应用。天线可以有效地集成在塑料或玻璃盖后面，通过设计盖的几何形状以局部充当透镜，甚至通过包括电磁窗口，甚至在金属盖后面，也许基于频率选择表面 (FSS) 设计原则。这种方法显着改善了辐射模式并改善了扫描行为。

芯片（顶部和底部）和槽（侧面）阵列天线放置在带有金属外壳的手机中。

平衡性能和安全

对于在人员附近使用的任何设备，确保用户的安全至关重要。在产品投放市场之前，必须满足人体暴露于辐射场的认证标准。在低于 6 GHz 的频率下，现有的比吸收率 (SAR) 标准适用。在毫米波频率下，场对人体的渗透非常小。大部分能量被反射，进入身体的大部分场会在距离表面 3 毫米范围内消散，因此 SAR 不是人体暴露的合适度量。相反，建议测量距离设备一定距离的表面上的功率流。