芬蘭阿爾托大學(Aalto University)的研究人員設計了一款原型手機,展示了毫米波(mmWave)天線和LTE天線在單個裝置上的共存。

任何新舊技術之間的轉換都存在相容性問題,向5G無線通訊的轉換也不例外。在這一轉換過程中,需要克服的一個障礙是在單支手機上同時包含支援LTE網路傳輸的較長波長天線,以及可以支援5G網路上毫米波長訊號的新天線。在一項新的概念驗證性研究中,阿爾托大學的Joni Kurvinen及其同儕們展示了一種新設計,該設計將兩種類型的天線整合在一款裝置中。

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(來源:Joni Kurvinen)

利用5G網路的高頻波長,資料能以更高的速率傳輸,但這些波長往往在短距離內非常快速地衰減。因此,人們希望擁有的新手機不僅能夠利用5G (其訊號以28GHz左右的頻率傳輸),而且還能支援目前的4G LTE網路(其訊號以700MHz甚至更高的頻率傳輸)。

問題是什麼呢?

Kurvinen解釋,「LTE和毫米波頻率在頻譜上相差甚遠,二者無法用一根天線覆蓋。因此,需要多根天線。主要的挑戰是天線的放置位置,它們既要裝配在行動裝置中,又不會影響彼此的性能。」

目前,很多LTE天線都整合在手機的金屬邊框內,作為一個耦合元件,在整個裝置中激發諧振電流。Kurvinen及其他研究人員的設計保持了這種方法,在手機底部一側的金屬邊框內嵌入了一根LTE天線。在這種情況下,天線同時支援LTE網路的低頻段和高頻段。

支援毫米波第二根天線被設計為其所有金屬部件與LTE天線的金屬部件距離足夠遠。多遠是足夠遠?事實證明,把它放在手機底部邊框的另一側就足夠了。天線被塞入一個鑽在金屬邊框上的、允許毫米波輻射通過的洞裡。

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(來源:Aalto University /IEEE)

該裝置可以將毫米波天線封裝在與LTE天線相同的體積內。

然後用塑膠將洞填充起來,塑膠對這一設計的支撐是多方面的。首先,塑膠將LTE和毫米波天線相互隔離,這樣它們就不會干擾彼此的工作。其次,塑膠還會降低饋送到毫米波天線的訊號波長,這使得天線結構可以更小、更緊湊。

Kurvinen說:「這項研究可能是第一個將兩根天線完全包含在同一裝置中的研究,而且,在不顯著犧牲任何一根天線的性能的情況下,將它們放在了一個共用空間內。」

根據模擬以及直接測量顯示,這種雙天線系統的效率為60%,這對於行動電話系統而言已經是相當高的效率了。但對於這個數字,也有幾點需要注意的。Kurvinen及其他研究人員們坦承,這是一款原型手機,它缺少商業化手機中出現的很多其他元件。更重要的是,這款原型機的PCB尺寸比典型的手機更大。最後,這種設計僅支援往返和來自裝置末端的毫米波通訊,而為了達到最佳毫米波覆蓋,手機還應該配備產生寬邊輻射的天線,以便訊號可以透過手機的顯示器和/或後蓋接收。

— 原文刊登於EDN Taiwan姊妹刊EDN China網站