Phased-Array-Antennendesign für 5G-Anwendungen

Neue Antennenkonstruktionen sind der Eckpfeiler von 5G-Geräten der kommenden Generation

Mit dem Beginn des 5G-Rollouts kommt Designern eine wichtige Rolle bei der Gestaltung der technischen Infrastruktur zu, um mehr Connected Devices zu unterstützen und höhere Datenraten bereitzustellen. Immer mehr Komponentenhersteller bieten auch eine breitere Palette von Antennenlösungen für 5G-Systeme an.

Entwickler von 5G-fähigen Mobilgeräten benötigen für ihre Systeme geeignete Antennendesigns. Zwei wichtige Anforderungen sind die Durchstimmbarkeit, um die Resonanzfrequenz der Antenne zu verändern, sowie das Beamforming, bei dem das Abstrahlverhalten der Antenne beeinflusst werden kann. Das Design von Patch- oder Microstrip-Phased-Array-Antennen für 5G-Anwendungen ist ein dankbares Betätigungsfeld für jeden Designer, um drahtlose Funktionen in neuen 5G-Systemen zu implementieren.

Phased-Array-Antennen in 5G

5G-Antennen arbeiten in verschiedenen Frequenzbändern, darunter die LTE-Bänder sowie Frequenzbereichen über 5 GHz. Die höheren Frequenzbänder umfassen 24,25–27 GHz und 37–40 GHz mit 50 bis 400 MHz Bandbreite pro Kanal. Die US-amerikanische FCC hat kürzlich zusätzliche Bänder im Bereich von 64–71 GHz freigegeben und ähnliche Bänder werden auch in Europa, Japan und China verwendet.

Wegen der hohen Verluste galten mmWave-Frequenzen seit jeher als ungeeignet für die Kommunikation zwischen mobilen Endgeräten. Streuung und Absorption der Luft dämpfen die Signale stärker als bei niedrigeren Frequenzen, sodass die Sender mit deutlich höherer Leistung arbeiten müssten, um dies zu kompensieren – was Funkantennen für die Langstreckenkommunikation von mobilen Geräten im GHz-Bereich unpraktisch macht.

Ungeachtet dieser Dämpfung von mmWellen-Frequenzen können Beamforming-Techniken verwendet werden, um die von einem Antennenfeld (Array) emittierte Strahlung zu bündeln. Dieser Antennentyp wird auch als phasengesteuerte Antenne (Phased-Array-Antenne) bezeichnet und wurde ursprünglich beim Militär in gerichteten Radarsystemen eingesetzt. Der Antennentyp besteht aus einer Anordnung mehrerer Strahler, die in einem kugelförmigen oder dipolaren Strahlungsdiagramm abstrahlen. Jede Antenne im Array muss einen bestimmten Abstand haben, um die erforderliche Interferenz zu erzeugen, die eine Strahlungskeule mit minimaler Nebenkeulenbildung ausbildet.

„Der Russenspecht“: eine frühe Phased-Array-Antenne

Eine der frühesten Varianten der Phased-Array-Antenne wurde 1905 von Ferdinand Braun konstruiert. Diese einfache Antennengruppe bestand aus drei separaten Monopol-Antennen, die in einem gleichseitigen Dreieck mit einer Basisstation in der Mitte angeordnet waren. Das an eine der Antennen gesendete Signal wurde um eine Viertelwellenlänge verzögert, wodurch die Richtwirkung im Strahlungsdiagramm durch Interferenz verstärkt wurde. Die gleiche Idee wird in Arrays von Patchantennen verwendet, wo die Verzögerung zwischen den Signalen auf einer Platine mit einem Phasenschieber gesteuert wird.

PCBs für 5G-Phased-Array-Antennen

Eine Phased-Array-Antenne besteht aus mehreren abstrahlenden Elementen, die in einer bestimmten Geometrie auf einer Leiterplatte angeordnet sind. Jedes Element ist mit einer Verzögerungsleitung oder einem Phasenschieber verbunden, und die Interferenz zwischen den Strahlungsdiagrammen der einzelnen Antennen bildet einen Strahl mit geringer Divergenz. Monopol-/Dipol-Strahler, die in diesen Anwendungen eingesetzt werden, können eine in einem bestimmten Winkel gerichtete Strahlungskeule erzeugen. Dies geschieht, indem das an jede Antenne im Array gesendete Signal um einen bestimmten Betrag verzögert wird.

Neuere 5G-fähige Smartphones müssen zwischen 6 und 10 Antennen enthalten, um sicherzustellen, dass das Gerät senden kann – unabhängig davon, wie es während des Betriebs gehalten wird. Jede Antenne in einem 5G-fähigen Array wird normalerweise als gedruckte Patchantenne mit einer durch die Platinenrückseite geführten Zuleitung platziert. Beamforming-Transceivermodule, mit denen der Abstrahlwinkel in einer Phased-Array-Antenne gesteuert werden kann, sind als ICs erhältlich.

Diese werden normalerweise über eine Koaxialleitung mit der Hauptplatine verbunden, und jede Patchantenne im Array kann über einen Microstrip und einem Via auf der Rückseite an das Modul angeschlossen werden. Eine gute Designentscheidung kann die Verwendung einer 4-Lagen-Platine mit einer inneren Massefläche unterhalb des Masselayers des Antennen-Arrays sein. Es verhindert, dass sich die Strahlung zurück in die Schaltung des Moduls bzw. der Hauptplatine ausbreitet. Dies ist bei analogen Beamforming-Modulen besonders wichtig, da diese anfälliger für EMI-Probleme sind als digitale Module.

Um diese Beamforming-ICs auf einer Leiterplatte zu platzieren, müssen einige Standard-HF-Designtechniken beachtet werden. Allerdings trägt die Richtwirkung der von jedem Array ausgesandten Wellen dazu bei, die Gefahr der Eigenstörung zu verringern. Eine Abschirmung und ordnungsgemäße Erdung um die Komponenten herum sowie die richtige Anordnung der Mixed-Signal-Massefläche tragen ebenfalls dazu bei, die EMI-Empfindlichkeit zu reduzieren.

Ein wichtiger Aspekt bei der Antennenkonstruktion selbst ist der Abstand zwischen benachbarten Array-Elementen. Der maximale Abstand zwischen den einzelnen Strahlern hängt von der Wellenlänge des von der Antenne abgestrahlten Signals und dem maximalen Winkel ab, unter dem das Array abstrahlen soll. Zur Sicherheit nehmen die meisten Konstrukteure einfach die Abstrahlung entlang der Normalrichtung, wodurch der maximale Abstand zwischen den Elementen einer halben Wellenlänge entspricht. Das folgende Beispiel zeigt ein 2x4-Phased-Array-Antennendesign für 5G-Anwendungen.

Patch-Antennenentwurf für 5G-Anwendungen als phasengesteuertes Array

Es bleiben noch etliche Herausforderungen für 5G-Leiterplatten-Designer zu berücksichtigen, darunter das Wärmemanagement, die Platzierung von gepulsten ICs auf dem Smartphone-Mainboard, die Berücksichtigung des Formfaktors von 5G-Telefonen und vieles mehr. Die Verwendung eines PCB-Design-Softwarepakets wie Altium Designer ermöglicht es Ihnen, ein Antennen-Array zu entwerfen, wie Sie es für 5G-Geräte benötigen. Sie haben auch Zugang zu Simulationswerkzeugen, die für das Design von Hochfrequenz-Leiterplatten von unschätzbarem Wert sind.

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