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Lösung der Herausforderungen beim 5G-Antennendesign

Digi International Digi International
23. Oktober 2020
Da sich die Mobilfunk Industrie weiter vorwärts bewegt, um den Bedarf an höheren Datenraten, niedrigeren Latenzzeiten und größerer Zuverlässigkeit zu erfüllen, ist das HF-Systemdesign wieder zum Engpass für alle Mobilfunk Geräte oder Netzwerke geworden, die mehr Daten an mehr Benutzer in anspruchsvolleren Anwendungsfällen liefern wollen. 

Während Partnerschaftsprojekt der 3. Generation (3GPP) immer mehr Spezifikationen veröffentlicht, die die aufkommenden Anforderungen adressieren und die Branche tiefer in die Ära von 5G drängen, entstehen auch Verwirrung und Missverständnisse, die bei Geräte-OEMs Zweifel an den Plänen zur Einführung ihrer 5G-Produkte der nächsten Generation aufkommen lassen.

Das Antennendesign ist bei weitem der verwirrendste Teil dieses Prozesses, da es fast vollständig vom Formfaktor des Endgeräts und den Präferenzen der OEMs abhängt.

Von Anfang an war Digi Wireless Design Services an der Spitze der aufkommenden Technologien. Das Unternehmen verfügt über eine lange Liste von Partnern in der Branche für das Design drahtloser Geräte und kann auf eine nachweisliche Erfolgsbilanz beim Design drahtloser Geräte verweisen. In diesem Blog bieten wir Einblicke in das Antennendesign von 5G-User-Equipment (UE) Geräten.
 

Neue 5G-Funktionen und wie sie sich von aktuellem 4G LTE unterscheiden

Um zu verstehen, warum 5G in der Lage ist, eine viel höhere Datenrate als die aktuelle 4G-Technologie zu liefern, ist es vielleicht hilfreich, zunächst das Shannon-Hartley-Theorem zu betrachten:
 
C = M * B log2(1 + S/N)
  • C ist die Kanalkapazität in Bit/Sekunde
  • M ist die Anzahl der Kanäle
  • B ist die Bandbreite des jeweiligen Kanals
  • S/N ist das Signal-Rausch-Verhältnis
Es ist eigentlich intuitiv, basierend auf dem Theorem, dass, um eine höhere Kanalkapazität zu haben, Verbesserungen vorgenommen werden müssen, um das System M, B und S/N anzupassen. 5G, das sich aus 4G entwickelt, implementiert einige bekannte und seit langem existierende Techniken in seiner Architektur, um die Kanalkapazität zu verbessern:
  • Carrier Aggregation (CA) > Erhöhte Bandbreite (B)
  • Multiple-in-multiple-out-Architektur (MIMO) > Erhöhung der Anzahl der Kanäle (M)
  • Zuteilung neuer Frequenzbänder > Erhöhte Bandbreite (B)
  • Adaptive Übernahme von Modulationsverfahren höherer Ordnung > S/N und B
Im Vergleich zu 4G hebt 5G die gleichen Techniken auf die nächste Stufe der Leistungsfähigkeit und Komplexität. Dies führt zwangsläufig dazu, dass das Antennendesign für 5G-Geräte auf die nächste Stufe gehoben wird, um die ständig steigenden Anforderungen an eine größere Bandbreite, mehr Frequenzbänder und eine bessere Störfestigkeit zu erfüllen.
 

Wie die neuen 5G-Funktionen neue Herausforderungen für das Antennendesign schaffen

Um Antennen für die Funktionalität von 5G zu planen und zu entwerfen, ist es wichtig, die Herausforderungen zu verstehen und zu wissen, wie man sie angeht. Hier gehen wir auf diese Überlegungen ein.
 

Aktiv abstimmbares Antennensystem

Aufgrund der strengen Größenbeschränkungen verwenden moderne drahtlose Geräte in der Regel aktive Antennentuner als effektives Mittel zur Verkleinerung der Antenne. Es kann die Antenne intelligent abstimmen, basierend auf der sich ändernden Betriebsumgebung, dem Frequenzband und der Bandbreitenabdeckung. Mit einer potenziell höheren Ordnung von CA in 5G und zusätzlichen Mobilfunk Bändern muss das Antennenabstimmungssystem in der Lage sein, mehr Tuner-Status sowie eine größere Frequenzbandbreite pro Tuner-Status zu unterstützen.
 

Neue Frequenzbänder

Basierend auf 3GPP Release 15 sollen für 5G zwei Basisfrequenzbereiche (FR1 und FR2) verwendet werden:
 
FR1: 410 MHz bis 7,125 GHz; FR2: 24,25 bis 52,6 GHz

In FR1 übernimmt 5G die Bänder 3,3 ~ 3,8, 3,8 ~ 4,2 und 4,4 ~ 4,9 GHz zusätzlich zu den bestehenden Sub-3GHz-Bändern in 4G LTE. Dies stellt neue Anforderungen an Mobilfunk Antennen, um zusätzliche Frequenzabdeckungen im Sub-6-GHz-Frequenzbereich bereitzustellen.
 
Tabelle 1: 5G New Radio (NR) Betriebsbänder in FR1 1
5G NR Betriebsbänder
FR2, oder der mmWave-Frequenzbereich, bietet eine extrem große Bandbreite von bis zu 2 GHz in einigen Regionen. Geräte oder Systeme, die diese große Bandbreite ausnutzen wollen, erfordern ein grundlegend anderes Antennendesign. Da der Signalausbreitungsverlust umgekehrt proportional zur Signalwellenlänge ist, erleiden mmWave-Signale starke Pfadverluste. Um die Pfadverluste zu kompensieren, wird die Erhöhung des Antennengewinns durch das Design von Phased-Array-Antennen zu einer zuverlässigen und von der Industrie anerkannten Lösung. Phased-Array-Design eröffnet einen völlig neuen Bereich des Antennendesigns, der in 4G nicht vorhanden ist.
 
Tabelle 2: 5G New Radio (NR) Betriebsbänder in FR2 1
5G NR Uplink- und Downlink-Betriebsbänder

Anspruchsvolles Antennensystemdesign aufgrund von Koexistenz

Die MIMO-Funktionalität erfordert, dass mehrere Antennen auf einem Gerät koexistieren und auf denselben Frequenzbändern arbeiten. Die Technologie selbst wurde bereits im 4G-LTE-Netz in Form von SU-MIMO und MU-MIMO (Single-user MIMO und Multiple-user MIMO) eingesetzt.

In 5G wird Massive-MIMO (mMIMO) ein notwendiger Baustein sein, um die Zellkapazität und die UE-Download-Datenrate auf die nächste Stufe zu heben. Während sich die meisten mMIMO-Antennenspezifikationen und -Technologietests heutzutage auf die Seite der Basisstation konzentrieren, wo 32 oder mehr logische Antennenports benötigt werden, wird erwartet, dass die Anzahl der Antennen am UE ebenfalls zunehmen wird.

Aufgrund der Aktivierung der Multiple-Access-Technologie in 5G werden Bluetooth/WLAN, Mobilfunk usw. häufiger gleichzeitig auf dem UE übertragen, was die Lösung des Antennenkoexistenzproblems noch komplizierter macht. Wenn das Problem der Antennenkoexistenz nicht richtig angegangen wird, kann es entweder zu einer Verringerung der Kommunikationsreichweite, einem unerwarteten toten Winkel oder sogar zu einem sporadischen Abfall der Verbindungsqualität führen.

Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für den Verlust der Antenneneffizienz aufgrund von Koexistenz. Die Antennen müssen in einem 5G-UE strategisch angeordnet werden, um die volle Potenz von MIMO zu erreichen.
 
Abbildung 1: Reduzierung der Antenneneffizienz beim Wechsel von einem SISO- zu einem MIMO-System
5G-Effizienz und Frequenz
 

Design-Ansätze für neue 5G-Antennen-Design-Herausforderungen

Nachdem wir nun einige der Herausforderungen behandelt haben, lassen Sie uns einige Designüberlegungen diskutieren, die zum Erfolg beitragen können.
 

Sub-6-GHz-Antennen-Design-Ansatz

5G-Antennen können nach ihrer Betriebsfrequenz in zwei Kategorien unterteilt werden: Sub-6GHz und mmWave. Vergleicht man Sub-6-GHz-5G mit LTE 4G, so sind die RF-Frontend- und Antennenkonzepte des Systems sehr ähnlich, der einzige Unterschied ist die laterale Komplexität. Das bedeutet, dass beim Übergang von 4G zu Sub-6-GHz-5G dieselben Komponenten auf der Systemseite verwendet werden und die Antenne weiterhin eine omnidirektionale Einzelantenne (im Gegensatz zu einer Gruppenantenne) ist.

In diesem Frequenzbereich werden gängige Antennentypen wie Dipolantenne, Monopolantenne, PIFA, IFA, Schleifenantenne usw. immer noch eine dominierende Rolle spielen, wie sie es bei 2G/3G/4G getan haben. Die Formfaktoren der Antennen können von einer einfachen Antenne mit gedruckter Leiterbahn bis hin zu einer komplizierten Laser-Direkt-Strukturierungsantenne (LDS) variieren.

Der Konflikt zwischen den Anforderungen nach kleinerer Baugröße und größerer Antennenbandbreite wird immer noch die Top-Herausforderung sein, nur viel härter als bisher. Eine praktikable Lösung für diese immer stärker werdende Konfrontation ist das Design eines aktiven Antennensystems.

Die am häufigsten anzutreffenden aktiven Antennensysteme lassen sich in zwei Kategorien einteilen: aktive Impedanzanpassung und Antennen-Aperturabstimmung. Die aktive Impedanzanpassungstechnik ermöglicht es dem Antennensystem, zwischen verschiedenen Impedanzanpassungsnetzwerken basierend auf Änderungen der Betriebsbedingungen zu wählen, während die aktive Aperturabstimmung direkt die intrinsischen Eigenschaften der Antenne ändert.
 
Abbildung 2: Diagramm der aktiven Anpassung (links) und der aktiven Blendenabstimmung (rechts)
Aktive Blende / Aktive Anpassung
Geräte-OEMs können auch die Vorteile von Standardantennen (OTS) nutzen, um den Antennendesignprozess zu vereinfachen. Wie bei 4G werden sich dieselben OTS jedoch unterschiedlich verhalten, wenn sie in verschiedenen Geräten eingesetzt werden, da verschiedene Leiterplatten unterschiedliche HF-Referenzen liefern, selbst wenn die Antennen selbst gleich sind. Zumindest sollten OEMs kundenspezifische Antennenanpassungsnetzwerke für alle ausgewählten OTA-Antennen erwarten.
 

mmWave-Antennen-Design-Ansatz

Bei mmWave-Frequenzen schränken mehrere Signalausbreitungsverluste die Zellengröße stark ein und der Bandbreitenvorteil kann durch Probleme mit der Netzabdeckung stark verdeckt werden. Um Signalwegverluste zu kompensieren, werden Phased-Array-Antennen aufgrund ihrer Fähigkeit, einen sehr hohen Gewinn (dBi) zu erzielen, notwendig.

Der Entwurf einer Phased-Array-Antenne für 5G mmWave erfordert deutlich mehr Vorwissen über grundlegende Antennenentwurfskonzepte, Array-Antennenentwurfspraktiken, mmWave-Signalausbreitungsverhalten und vieles mehr. Zumindest sollte eine Phased-Array-Antenne in der Lage sein, den Strahlungskegel so zu lenken und zu optimieren, dass die Spitzen-EIRP(dBm) in Richtung eines mobilen Empfangsgeräts innerhalb seines Zellsektors maximiert wird. Eine gut konzipierte Phased-Array-Antenne für 5G sollte auch die duale Polarisation, die Minimierung der Array-Größe, die Minderung des Nebenkeulenpegels, die Verbesserung des Strahlsteuerungswinkelbereichs und der Auflösung, die Unterdrückung des Systemrauschens, die Verbesserung der Leistungseffizienz und mehr berücksichtigen.

Das Testen von mmWave-Antennen stellt auch technische Hürden dar. Zusätzliche Komplexität entsteht in Bezug auf die Kalibrierung und den Aufbau bei diesen hohen Frequenzen, wo die Verluste im Aufbau im Vergleich zu 4G-Frequenzen ausgeprägter sind. Konservative Schätzungen gehen davon aus, dass die Ausrüstung für diese Tests Investitionen von mehr als 1 Million US-Dollar erfordern kann. Die Wahl eines Testpartners, der die Spezifikationen und Verfahren versteht, ist daher entscheidend.
 

Über Digi Wireless Design Services

Das Team von Digi Wireless Design Services bietet technische Dienstleistungen für die Produktentwicklung, die Ihnen helfen, die richtige Lösung für Ihre 5G-Pläne zu entwickeln. Wir haben die Erfahrung, die Ausrüstung, die Infrastruktur und die Testtools, um Sie bei der Entwicklung der richtigen 5G-Antennen für Ihre Anforderungen zu unterstützen. Für jede Anfrage besuchen Sie die Digi WDS Antennendesign-Seite oder kontaktieren Sie uns.
 
1 3GPP-Spezifikationsreihe: Serie 38
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