Thiết kế ăng ten 5G hiệu quả cho smartphone
Trong 10 năm qua, điện thoại thông minh và các thiết bị thông minh đã thay đổi cách chúng ta giao tiếp, giải trí và thực hiện công việc của mình (hình 1). Hơn 1 tỷ thiết bị được bán mỗi năm và khoảng một nửa dân số thế giới sở hữu điện thoại thông minh. Tổng doanh thu cho các doanh nghiệp OEM điện thoại thông minh (nhà sản xuất thiết bị gốc) đang đạt nửa nghìn tỷ đô la mỗi năm và với chuỗi cung ứng toàn cầu khổng lồ như vậy thị trường hiện là một trong những trụ cột chính của nền kinh tế toàn cầu.
Giá trị lợi nhuận cao cho một phân khúc thiết bị cá nhân dẫn đến sự cạnh tranh và đổi mới khốc liệt, cùng với vòng đời sản phẩm rất ngắn. Do đó, người dùng điện thoại thông minh có xu hướng kỳ vọng rất cao vào phần cứng và phần mềm ở mỗi phiên bản mới hàng năm.
Kết nối tốc độ cao và truy cập internet liên tục là cơ sở cho nhiều khả năng hiện đại và người dùng mong muốn thiết bị của họ kết nối liền mạch, cho dù họ đang sử dụng Wi-Fi ở nhà, nghe nhạc qua Bluetooth, điều hướng trên đường cao tốc, sử dụng mạng xã hội hoặc xem một bộ phim trên tàu điện. Khi người dùng kỳ vọng cao và còn được thúc đẩy cao hơn nữa bởi thế hệ di động 5G mới nhất, bất kỳ vấn đề nào về kết nối đều có thể gây khó chịu và tiềm ẩn nguy hiểm trong một số tình huống nhất định.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét mức độ phức tạp ngày càng tăng của các hệ thống ăng-ten được sử dụng để liên lạc và vai trò quan trọng của mô phỏng điện từ để đảm bảo kết nối tối ưu đồng thời đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng trong chu kỳ thiết kế sản phẩm ngắn.
Sau đó, chúng ta sẽ tập trung vào quá trình thiết kế ăng-ten 5G mm-Wave, một trong những phần thú vị và khó khăn nhất trong quá trình triển khai 5G đối với kỹ sư điện thoại thông minh.
Có gì bên trong một chiệc điện thoại?
Nếu bạn mở điện thoại thông minh hiện đại của mình ra, bạn sẽ ngay lập tức nhận thấy điện thoại được đóng gói, lắp ráp chặt chẽ như thế nào (Hình 2).
Tất cả không gian bên trong chiếc điện thoại đều được tận dụng, với phần lớn là pin, bo mạch chủ và hệ thống camera. Việc tháo lắp sâu hơn sẽ tiết lộ các mạch linh hoạt, tấm chắn kim loại và chìa khóa đến sự kết nối: bộ phận ăng-ten có nhiều hình dạng, kích thước và độ dài khác nhau. Số lượng ăng-ten trong điện thoại thông minh hiện đại khá nhiều do số lượng dải tần được hỗ trợ và các công nghệ không dây liên quan đang hoạt động khác.
Ngoài Wi-Fi, Bluetooth, định vị vệ tinh và NFC (Near Field Communications), các thế hệ di động lâu đời như 2G vẫn có thể được hỗ trợ. Một chiếc điện thoại thông minh cao cấp có thể hỗ trợ khoảng 30 băng tần 4G-LTE để phủ sóng trên toàn thế giới. Để giữ cho số lượng ăng-ten được kiểm soát, ăng-ten có thể được sử dụng đa chức năng và được sử dụng bởi nhiều hệ thống khác nhau nếu tần số hoạt động của chúng đủ gần.
Thêm 5G vào điện thoại
5G đã tăng thêm độ phức tạp đáng kể cho thiết kế điện thoại thông minh bằng cách áp dụng hai dải tần số chính – sóng dưới 6 GHz và băng tần sóng milimet (mm-Wave) hoạt động trên 24 GHz. Dải sóng mm-Wave là hoàn toàn mới đối với thông tin liên lạc di động, tuy nhiên đã được được sử dụng để phát hiện radar trong các ứng dụng hàng không vũ trụ hoặc ô tô.
Như thể hiện trong hình 3, lợi ích chính của mm-Wave đối với truyền thông di động là băng thông và tốc độ dữ liệu cung cấp cao, thường trên 1 Gbit/s. Nhược điểm là tầm hoạt động ngắn, dưới 500 m và dễ bị chặn hoặc phản xạ tín hiệu từ các vật thể rắn – do đó nó thường được sử dụng trong các ứng dụng radar.
Giới hạn trong phạm vi ngắn có nghĩa là dải mm-Wave thường sẽ được triển khai trên cơ sở từng con phố và có thể chỉ được sử dụng ở khu vực đông dân cư của các thành phố như khu vực trung tâm thành phố và các sân vận động. Ưu điểm của phạm vi ngắn là tần số có thể được tái sử dụng trong khoảng cách ngắn tương tự.
Tín hiệu vô tuyến phản xạ từ các tòa nhà, hay còn gọi là “giao tiếp đa đường dẫn”, đối với các hệ thống không dây điều này thường là các vấn đề do tiềm ẩn khả năng gây nhiễu phá hủy và làm yếu tín hiệu. Tuy nhiên, thông qua mảng định dạng chùm tia và xử lý tín hiệu mạnh mẽ, các tiêu chuẩn 5G khai thác “sự đa dạng không gian” này rất hiệu quả và làm tăng cường độ tín hiệu, cải thiện chất lượng và dung lượng tín hiệu của mạng.
Các băng tần 5G dưới 6 GHz, đặc biệt là trong dải 700 MHz, bao phủ các khu vực rộng hơn – lên đến 80 km từ một tháp phát sóng và thâm nhập vào các tòa nhà dễ dàng hơn. Tốc độ dữ liệu thấp hơn sóng mm vào khoảng 200 Mbit/s, nhưng vẫn nhanh hơn tốc độ 4G LTE thông thường từ sáu đến bảy lần.
Trong cả hai dải tần số chính, MIMO đa người dùng lớn (multiple input – multiple output) và định dạng chùm tia tại trạm phát sóng cho phép phạm vi phủ sóng và tốc độ dữ liệu tốt nhất có thể cho các thiết bị của người dùng. Trong trường hợp của mm-Wave, định dạng chùm tia bổ sung trên chính thiết bị sẽ tối ưu hóa hơn nữa phạm vi và tốc độ dữ liệu.
Trong phần còn lại của bài viết này, chúng tôi sẽ tập trung vào những thách thức về thiết kế và quy trình thiết kế sóng 5G mm-Wave ở trên điện thoại thông minh hoặc trên các thiết bị.
Thử thách của thiết kế dải tần số cao mm-Wave
Ăng-ten 5G mm-Wave có kích thước rất nhỏ về mặt điện – theo thứ tự milimét – và đặc biệt nhạy cảm với các biến thiên hình học nhỏ. Cùng với những hạn chế tổng thể về vỏ ngoài và độ nhạy chung của ăng-ten với các vật liệu xung quanh, sẽ có một loạt khó khăn trong việc đạt được hiệu suất ăng-ten 5G mong muốn.
Các đặc tính vật liệu của lớp vỏ bọc và các vật thể ở gần có thể ảnh hưởng đáng kể đến việc truyền tín hiệu. Ví dụ, nếu không được thiết kế cẩn thận, một ăng-ten mm-Wave đặt sau lớp kính (thủy tinh) có thể truyền năng lượng vào kính và hoạt động như một ống dẫn sóng, chứ không phải xuyên qua kính để truyền ra bên ngoài như mong muốn. (Hình 5).
Đặt ăng-ten sau một lớp nhựa trên cạnh thiết bị hoặc sử dụng thấu kính thủy tinh hoặc bề mặt chọn lọc tần số (Frequency Selective Surface), có thể giảm thiểu những vấn đề này. Để khắc phục việc tín hiệu mm-Wave bị chặn bằng tay hoặc ngón tay (Hình 6), có thể sử dụng hai hoặc ba mô-đun mm-Wave trong thiết bị để nếu một mô-đun bị chặn thì những mô-đun khác vẫn có thể hoạt động.
“Đa dạng không gian” đã được sử dụng trong thiết kế hệ thống ăng-ten điện thoại thông minh trong các thế hệ mạng di động trước đây. Một ăng-ten thứ hai tương tự bao phủ cùng một băng tần, nhưng với sự kết hợp tối thiểu với ăng ten chính thường được sử dụng để thu và truyền tín hiệu nhất quán hơn trong các môi trường phức tạp.
Tín hiệu đa đường dẫn có thể gây ra nhiễu triệt tiêu và mất sóng, và sự đa dạng của ăng-ten có thể giúp tránh khỏi điều này bằng cách cung cấp đường dẫn tín hiệu thay thế đến máy thu. Như đã đề cập trước đó, “vấn đề” đa đường đã trở thành một lợi ích đáng kể trong 5G mm-Wave để cải thiện tính đa dạng không gian và dung lượng mạng.
Tạo chùm tia 5G và MIMO
5G trong dải mm-Wave sẽ không khả thi với một phần tử ăng-ten duy nhất cung cấp vùng phủ sóng hình cầu hoặc đẳng hướng từ thiết bị, vì sẽ cần rất nhiều năng lượng để khắc phục tổn thất đường truyền tín hiệu như là mất đường truyền và cường độ tín hiệu giảm mạnh ở các tần số này.
Giải pháp để khắc phục là sử dụng các mảng ăng-ten ở hai đầu kết nối để tạo thành các chùm tia tập trung công suất theo các hướng nhất định. Bằng cách điều hướng từng phần của mảng riêng biệt với các biến thiên về biên độ tương đối và pha tín hiệu, chúng ta có thể điều khiển các chùm tia đến một hướng nhất định và do đó cung cấp phạm vi phủ sóng đẳng hướng tổng thể.
Có thể tạo ra đồng thời nhiều chùm tia thông qua xử lý tín hiệu kỹ thuật số. Với công nghệ ghép kênh không gian này, cùng một tần số và thời gian giống nhau có thể phục vụ nhiều người dùng đồng thời, được gọi chung là MU-MIMO hoặc multi-user, multiple input – multiple output.
Ăng-ten của thiết bị cầm tay và trạm thu phát sóng đều sử dụng công nghệ định dạng chùm tia, với thiết bị cầm tay thường chứa hai hoặc ba mảng, mỗi mảng bốn phần tử như được thể hiện trong mô hình điện thoại thông minh tham chiếu do Dassault Systemes phát triển trong hình 7. Các trạm thu phát sóng sử dụng các mảng lớn hơn nhiều gồm 32 đến 64 phần tử .
Đối với thiết kế của điện thoại, quan trọng nhất là phải duy trì vùng phủ sóng gần với hình cầu để điện thoại có thể kết nối bất kể hướng nào. Chúng ta cũng nên tính đến thiết kế vùng phủ sóng trong các trường hợp sử dụng phổ biến, chẳng hạn như ngón tay hoặc bàn tay che một trong các mảng tín hiệu. Vì những lý do này, cần có hai hoặc ba mảng được sắp xếp hợp lý và thường ở mặt sau và các cạnh của thiết bị.
Codebook hay còn gọi là Beambook cho điện thoại thông minh
Để đảm bảo phạm vi phủ sóng rộng hình cầu từ các mảng mm-Wave bên trong điện thoại không phải là một nhiệm vụ đơn giản. Các mảng này là công nghệ “ăng-ten trên chip” tích hợp, chẳng hạn như QTM525 do Qualcomm cung cấp, được thiết kế để gắn vào mặt bên của điện thoại thông minh.
Những đơn vị cung cấp linh kiện mô-đun như vậy sẽ bao gồm một “codebook” (Hình 8), một tệp văn bản liệt kê tất cả các chùm tia có thể được tạo ra từ sự kết hợp của các phần tử mảng, trong đó mỗi phần tử được điều khiển với một biên độ và pha tín hiệu nhất định. Bằng cách tìm kiếm thông tin trong codebook này, bạn có thể biết được thông số để đạt được phạm vi bao phủ tốt nhất có thể từ mô-đun đó.
Số liệu để mô tả vùng phủ sóng này là hàm phân phối tích lũy của công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng (CDF of EIRP) dùng để cho biết mức độ hiệu quả phủ sóng của mảng như thế nào. Chỉ số tương tự cũng có thể dùng để đánh giá phạm vi phủ sóng của nhiều mảng mô-đun trong vị trí được cài đặt của chúng bên trong điện thoại thông minh, trong đó các chất liệu như kim loại, kính (thủy tinh) và khu vực gần cơ thể con người có thể ảnh hưởng đến hình dạng hoặc hướng của chùm tia và cuối cùng ảnh hưởng đến phạm vi phủ sóng.
Một quy trình thiết kế điển hình sẽ bắt đầu với việc nhà cung cấp đo lường hoặc mô phỏng mảng mô-đun của họ và tạo codebook để đưa kèm khi phân phối mô-đun cho doanh nghiệp OEM điện thoại thông minh. Mô hình điện từ của mô-đun cũng có thể được bao gồm và mô-đun này thường được mã hóa để bảo vệ IP của nhà cung cấp.
Tuy nhiên, do các vấn đề nhạy cảm phát sinh từ quá trình cài đặt được đề cập ở trên, việc cung cấp các codebook dùng sẵn này có thể không cung cấp kết quả như mong muốn như phạm vi bao phủ không hiệu quả và có thể để lại khoảng trống. Tệ hơn nữa, nó có thể khiến năng lượng tập trung quá mức theo một số hướng nhất định, điều này có thể khiến mức độ phơi nhiễm với con người tăng cao và không tuân thủ quy định an toàn.
Nói cách khác, mật độ công suất trung bình trong không gian của chùm tia có thể đủ cao để vượt quá giới hạn phơi nhiễm cho phép (Maximum permissible exposure). Đây sẽ là một thất bại lớn về thiết kế vì các doanh nghiệp OEM sẽ không thể bán một chiếc điện thoại không tuân thủ về quy định an toàn.
Để khắc phục điều này, doanh nghiệp OEM thường sẽ sử dụng mô phỏng điện từ để tạo trường dữ liệu thực tế trên thiết bị được cài đặt bằng cách điều khiển tuần tự từng phần tử của mảng. Sử dụng post-processing, sau đó họ sẽ kết hợp trường dữ liệu với codebook được cung cấp để ước tính phạm vi phủ sóng từ kết quả CDF và mật độ năng lượng được tính toán.
Nếu không đạt được phạm vi bao phủ lý tưởng, OEM sẽ gửi kết quả thực tế thu được trở lại nhà cung cấp, sau đó nhà cung cấp sẽ sử dụng thuật toán tối ưu hóa sở hữu riêng để tạo một codebook mới.
Codebook mới này sẽ bù đắp cho hiệu suất đã cài đặt nhiều nhất có thể. Nếu các KPI về phạm vi phủ sóng và mật độ năng lượng (chỉ số hiệu suất chính) nằm trong giới hạn và thông số kỹ thuật, thì codebook sẽ được tích hợp vào phần mềm điện thoại của OEM và quá trình thiết kế 5G mm-Wave đã hoàn tất. Hình 8 cho thấy quy trình làm việc hoàn chỉnh bao gồm đầu ra mật độ công suất trung bình theo không gian (spatially averaged power density), là một số liệu quan trọng để được chứng nhận.
Vai trò quan trọng của mô phỏng và tự động hậu xử lý
Việc đo hiệu suất “ăng-ten trên chip” 5G mm-Wave của chính nó và trong thiết bị của người dùng có thể cực kỳ mất thời gian do phải thực hiện rất nhiều thử nghiệm để đánh giá vùng phủ hình cầu. Một giải pháp nhanh hơn và hiệu quả hơn nhiều về chi phí là sử dụng mô phỏng điện từ. Mặc dù giải pháp này đòi hỏi về độ phức tạp của mô hình và số lượng mô phỏng cần thiết, các kỹ thuật tính toán hiệu suất cao hiện đại có thể cung cấp thời gian thử nghiệm có thể quản lý được với chi phí hợp lý.
Một lượng lớn dữ liệu được tạo ra từ đo lường hay mô phỏng, phải được xử lý để tạo ra các chỉ số đo lường mật độ công suất hoặc phạm vi bao phủ có ý nghĩa. Dữ liệu từ mô phỏng có thể tự động hậu xử lý sau khi tạo ra kết quả cần thiết mà không yêu cầu sự can thiệp từ người dùng.
Giá trị của sự tự động hóa này rất cao đối với các doanh nghiệp OEM, trong đó mỗi bước thủ công bị cấp số nhân do số lượng lớn các mô phỏng chạy và rất nhiều phiên bản điện thoại cần phải xem xét. Một doanh nghiệp OEM lớn có thể có đến 16 mẫu điện thoại thông minh có công nghệ 5G được bán cùng lúc chỉ tính riêng ở thị trường Bắc Mỹ.
Tóm tắt
Băng tần 5G mới hoạt động ở mm-Wave trên 24 GHz mang lại nhiều lợi ích tiềm năng bao gồm tốc độ dữ liệu cao và phạm vi ngắn cho phép tái sử dụng tần số. Các ứng dụng bao gồm phạm vi phủ sóng ngoài trời đáng tin cậy và nhanh chóng trong môi trường đô thị mật độ cao hoặc sân vận động đông người, các điểm truy cập không dây cố định đến nhà hoặc doanh nghiệp và phạm vi phủ sóng trong nhà băng thông cao.
Tuy nhiên vẫn tồn tại những thách thức với công nghệ 5G bao gồm phạm vi tương đối ngắn, tiềm ẩn các vật cản ăng-ten của điện thoại thông minh, tuân thủ các tiêu chuẩn về an toàn và đạt được phạm vi phủ sóng đa hướng.
Thiết kế và bố trí ăng-ten tốt là trọng tâm để thể hiện đầy đủ các lợi ích và vượt qua các khó khăn, và mô phỏng điện từ đã trở thành một công cụ chìa khóa cho các nhà thiết kế ăng-ten để tạo và kiểm tra thiết kế ảo. Với những khả năng tiên tiến của mình, SIMULIA CST Studio Suite từ lâu đã trở thành công cụ được các nhà thiết kế ăng-ten trong nhiều ngành công nghiệp lựa chọn nhằm đạt được những thiết kế tối ưu.
Đặc biệt, thiết kế ăng-ten 5G mm-Wave đòi hỏi cải tiến quy trình làm việc mới để quản lý lượng lớn dữ liệu và tạo ra các chỉ số cần thiết. Doanh nghiệp OEM và các nhà cung cấp của họ yêu cầu tự động hóa nhiều nhất có thể để đáp ứng chu kỳ phát triển sản phẩm ngắn của họ trên nhiều biến thể mô-đun và điện thoại.
SIMULIA đã làm việc rộng rãi với cả OEM và các nhà cung cấp của họ để tối ưu hóa và tự động hóa quy trình làm việc của ăng ten 5G mm-Wave cũng như tự động hóa việc tạo KPI. Quá trình này đã giúp ngành công nghiệp cải tiến đổi mới trong khi vẫn giữ được chu kỳ thiết kế ngắn
SIMULIA cung cấp danh mục sản phẩm mô phỏng tiên tiến, bao gồm Abaqus, Isight, fe-safe, Tosca, Simpoe-Mold, SIMPACK, CST Studio Suite, XFlow, PowerFLOW và hơn thế nữa. SIMULIA Learning Community là nơi tìm kiếm các tài nguyên mới nhất cho phần mềm SIMULIA và để cộng tác với những người dùng khác. Chìa khóa mở ra cánh cửa tư duy đổi mới và xây dựng kiến thức, SIMULIA Learning Community cung cấp cho bạn những công cụ cần thiết để mở rộng kiến thức của mình, bất kể thời gian và địa điểm.
