Alors que l'industrie de la téléphonie cellulaire continue de progresser pour répondre aux besoins de débits de données plus élevés, d'une latence plus faible et d'une plus grande fiabilité, la conception des systèmes RF est redevenue le goulot d'étranglement pour tous les dispositifs ou réseaux cellulaires qui visent à fournir plus de données à plus d'utilisateurs dans des cas d'utilisation plus exigeants.
Alors que
Projet de partenariat de 3e génération (3GPP) continue de publier davantage de spécifications répondant aux nouvelles demandes et poussant l'industrie plus loin dans l'ère de la 5G, la confusion et l'incompréhension apparaissent également, semant le doute parmi les équipementiers sur les plans de lancement de leurs produits 5G de prochaine génération.
La conception de l'antenne est de loin la partie la plus déroutante de ce processus, car elle dépend presque entièrement du facteur de forme de l'appareil final et des préférences des équipementiers.
Dès le début, Digi Wireless Design Services a été à l'avant-garde des technologies émergentes. Elle dispose d'une longue liste de partenaires dans le secteur de la conception de dispositifs sans fil et a fait ses preuves en matière de conception de dispositifs sans fil. Dans ce blog, nous offrons un aperçu de la conception de l'antenne de l'équipement utilisateur (UE) 5G.
Les nouvelles fonctionnalités de la 5G et leurs différences par rapport à la 4G LTE actuelle
Pour comprendre la raison pour laquelle la 5G est capable de fournir des débits de données beaucoup plus élevés que la technologie 4G actuelle, il peut être utile de se pencher d'abord sur le théorème de Shannon-Hartley :
C = M * B log2(1 + S/N)
- C est la capacité du canal en bit/seconde
- M est le nombre de canaux
- B est la largeur de bande de chaque canal
- S/N est le rapport signal/bruit
Il s'agit en fait d'une intuition basée sur le théorème selon lequel pour avoir une capacité de canal plus élevée, des améliorations doivent être apportées pour ajuster le système M, B et S/N. La 5G, qui évolue à partir de la 4G, met en œuvre dans son architecture certaines techniques bien connues et existant depuis longtemps pour améliorer la capacité des canaux :
- Agrégation de porteuses (CA) > Augmentation de la bande passante (B)
- Architecture MIMO (Multiple-in-Multiple-out) > augmenter le nombre de canaux (M)
- Attribution de nouvelles bandes de fréquences > Augmentation de la bande passante (B)
- Adoption adaptative de schémas de modulation d'ordre supérieur > S/N et B
Par rapport à la 4G, la 5G fait passer le même ensemble de techniques au niveau supérieur de capacité et de complexité. Cela pousse inévitablement la conception d'antennes pour les appareils 5G à un niveau supérieur pour répondre aux exigences toujours plus grandes d'une plus grande largeur de bande, de plus de bandes de fréquences et d'une meilleure immunité aux interférences.
Comment les nouvelles fonctionnalités de la 5G créent de nouveaux défis en matière de conception d'antennes
Pour planifier et concevoir des antennes pour la fonctionnalité de la 5G, il est important de comprendre les défis et la façon de les relever. Nous passons ici en revue ces considérations.
Système d'antennes à accord actif
En raison de contraintes de taille strictes, les dispositifs sans fil modernes utilisent généralement des tuners d'antenne actifs comme moyen efficace de réduire la taille de l'antenne. Il peut régler l'antenne de manière intelligente en fonction de l'évolution de l'environnement de fonctionnement, de la bande de fréquences et de la couverture de la bande passante. Avec un ordre de CA potentiellement plus élevé dans la 5G et des bandes cellulaires supplémentaires, le système d'accord d'antenne doit être capable de supporter plus d'états de tuner ainsi qu'une plus grande largeur de bande de fréquence par état de tuner.
Nouvelles bandes de fréquences
Selon la version 15 du 3GPP, deux gammes de fréquences de base (FR1 et FR2) doivent être utilisées pour la 5G :
FR1: 410 MHz à 7,125 GHz ; FR2: 24,25 à 52,6 GHz
Dans la norme FR1, la 5G adopte les bandes 3,3 ~ 3,8, 3,8 ~ 4,2, et 4,4 ~ 4,9 GHz en plus des bandes sub-3GHz existantes dans la 4G LTE. Cela entraîne de nouvelles exigences pour les antennes cellulaires afin de fournir des couvertures de fréquences supplémentaires dans la gamme de fréquences sub-6GHz.
Tableau 1 : Bandes d'exploitation de la nouvelle radio (NR) 5G en FR1 1
FR2, ou la gamme de fréquences mmWave, offre une bande passante extrêmement large, jusqu'à 2 GHz dans certaines régions. Les dispositifs ou systèmes qui entendent tirer parti de cette large bande passante exigent que les conceptions d'antennes soient fondamentalement différentes. L'affaiblissement de propagation du signal étant inversement proportionnel à la longueur d'onde du signal, les signaux à ondes millimétriques subissent d'importantes pertes sur le trajet. Pour compenser ces pertes, l'augmentation du gain de l'antenne par la conception d'antennes à réseau phasé devient une solution fiable reconnue par l'industrie. La conception d'antennes à commande de phase ouvre un tout nouveau domaine de conception d'antennes qui n'existe pas dans la 4G.
Tableau 2 : Bandes de fonctionnement de la nouvelle radio (NR) 5G dans FR2 1
Conception de systèmes d'antennes difficiles en raison de la coexistence
La fonctionnalité MIMO exige que plusieurs antennes coexistent sur un appareil et fonctionnent sur les mêmes bandes de fréquences. La technologie elle-même a déjà été utilisée dans le réseau 4G LTE sous la forme de SU-MIMO et MU-MIMO (Single-user MIMO et Multiple-user MIMO).
Dans la 5G, le Massive-MIMO (mMIMO) sera une composante nécessaire pour faire passer la capacité des cellules et le débit de téléchargement des UE à un niveau supérieur. Alors que la plupart des spécifications des antennes mMIMO et des analyses technologiques se concentrent aujourd'hui sur la station de base, où 32 ports d'antenne logiques ou plus sont nécessaires, on s'attend à ce que le nombre d'antennes sur l'UE augmente également.
De plus, en raison de l'activation de la technologie d'accès multiple dans la 5G, Bluetooth/WLAN, cellulaire, etc. sont plus souvent transmis simultanément sur l'UE, le problème de coexistence des antennes ne peut qu'être plus compliqué à résoudre. S'ils ne sont pas correctement traités, les problèmes de coexistence des antennes peuvent entraîner une réduction de la portée de communication, un angle mort inattendu, voire une baisse sporadique de la qualité de la connectivité.
La figure 1 donne un exemple de perte d'efficacité des antennes due à la coexistence. Les antennes doivent être disposées de manière stratégique dans un UE 5G afin de tirer pleinement parti de la technologie MIMO.
Figure 1 : Réduction de l'efficacité de l'antenne lors du passage d'un système SISO à un système MIMO
Approches de conception pour les nouveaux défis de conception des antennes 5G
Maintenant que nous avons abordé certains des défis à relever, discutons de certaines considérations de conception qui peuvent contribuer à garantir le succès.
Approche de la conception d'une antenne inférieure à 6 GHz
Les antennes 5G peuvent être divisées en deux catégories selon leur fréquence de fonctionnement : Sub-6GHz et mmWave. Si l'on compare la 5G sub-6 GHz à la 4G LTE, les concepts de conception des antennes et de l'étage frontal RF du système seront très similaires, la seule différence étant la complexité latérale. Cela signifie qu'en passant de la 4G à la 5G sub-6 GHz, le même ensemble de composants sera utilisé du côté du système et l'antenne sera toujours une antenne omnidirectionnelle autonome (par opposition à une antenne réseau).
Dans cette gamme de fréquences, les types d'antennes les plus courants, tels que les antennes dipôles, les antennes monopôles, les antennes PIFA, les antennes IFA, les antennes à boucle, etc. joueront toujours un rôle prépondérant, comme c'était le cas pour les réseaux 2G/3G/4G. Les facteurs de forme des antennes peuvent varier d'une simple antenne à trace imprimée à une antenne complexe à structuration directe par laser (LDS).
Le conflit entre les exigences de réduction de la taille des dispositifs et l'augmentation de la largeur de bande des antennes restera le principal défi, mais il sera beaucoup plus difficile qu'auparavant. Une solution viable à cette confrontation de plus en plus intense consiste à concevoir un système d'antenne active.
Les systèmes d'antennes actives les plus courants peuvent être divisés en deux catégories : l'adaptation d'impédance active et l'accord d'ouverture d'antenne. La technique d'adaptation active de l'impédance permet au système d'antenne de choisir parmi différents réseaux d'adaptation de l'impédance en fonction des changements des conditions de fonctionnement, tandis que l'accord d'ouverture actif modifie directement les caractéristiques intrinsèques de l'antenne.
Figure 2 : Diagramme d'adaptation active (gauche) et diagramme d'accord d'ouverture active (droite)
Les équipementiers peuvent également tirer parti des antennes sur étagère (OTS) pour simplifier le processus de conception des antennes. Cependant, comme pour la 4G, la même antenne OTS se comportera différemment lorsqu'elle sera placée dans différents appareils, car les différents circuits imprimés fournissent une référence RF différente, même si les antennes elles-mêmes sont identiques. Au minimum, les OEM doivent s'attendre à avoir des réseaux d'adaptation d'antenne personnalisés pour toutes les antennes OTA sélectionnées.
Approche de la conception des antennes à ondes millimétriques
Sur les fréquences mmWave, plusieurs pertes de propagation du signal limitent considérablement la taille des cellules et l'avantage de la bande passante peut être fortement masqué par les problèmes de couverture de la connectivité. Pour compenser l'affaiblissement du signal, les antennes à réseau phasé deviennent nécessaires en raison de leur capacité à réaliser un gain (dBi) très élevé.
La conception d'une antenne réseau à commande de phase pour la 5G mmWave nécessite des connaissances initiales beaucoup plus approfondies sur les concepts fondamentaux de conception d'antenne, les pratiques de conception d'antenne réseau, le comportement de propagation du signal mmWave, et bien plus encore. Au minimum, une antenne réseau à commande de phase doit être capable de diriger et d'optimiser le faisceau de rayonnement pour maximiser la PIRE (dBm) vers un dispositif de réception mobile dans son secteur cellulaire. Une antenne réseau à commande de phase bien conçue pour la 5G doit également tenir compte de la double polarisation, de la réduction de la taille du réseau, de l'atténuation du niveau des lobes latéraux, de l'amélioration de la plage et de la résolution de l'angle d'orientation du faisceau, de la suppression du bruit du système, de l'amélioration de l'efficacité énergétique, etc.
Les tests d'antennes à ondes millimétriques présentent également des difficultés d'ordre technique. L'étalonnage et la configuration à ces hautes fréquences, où les pertes dans la configuration sont plus prononcées que dans les fréquences 4G, sont encore plus complexes. Selon des estimations prudentes, les équipements pour ces tests peuvent nécessiter des investissements de plus d'un million de dollars. Le choix d'un partenaire de test qui comprend les spécifications et les procédures devient donc crucial.
À propos de Digi Services de conception sans fil
L'équipe des services de conception Digi Wireless fournit des services d'ingénierie de développement de produits qui vous aident à créer la bonne solution pour vos plans 5G. Nous disposons de l'expérience, des équipements, de l'infrastructure et des outils de test pour vous aider à concevoir les antennes 5G adaptées à vos besoins. Pour toute demande, visitez la
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