Thiết kế vỏ bọc tương thích công nghệ 5G mm-Wave cho điện thoại di động cao cấp
Tóm tắt
Công nghệ 5G thế hệ tiếp theo sẽ cung cấp dữ liệu tốc độ cao đáng tin cậy kết nối giữa các trạm phát sóng và thiết bị di động. Các trạm này có các mảng ăng-ten với số lượng lớn các phần tử hoạt động ở tần số sóng milimet cao (ví dụ: 28 GHz) sử dụng tạo chùm tia để cho phép giao tiếp hiệu quả, có mục tiêu cụ thể với các thiết bị cầm tay điện thoại di động. Bản thân trong các thiết bị cầm tay, việc sử dụng một số mảng chip tích hợp nhỏ trong mỗi thiết bị trở nên khả thi do kích thước vật lý nhỏ của các ăng-ten ở các tần số cao này.
Tuy nhiên sẽ có những thách thức như là hạn chế về không gian và vật liệu khi tích hợp các dải ăng-ten như vậy vào các thiết bị cầm tay của điện thoại di động. Các mảng dựa trên chip có thể được đặt bên dưới nắp lưng của thiết bị, đối với các điện thoại cao cấp nắp lưng có thể được làm bằng kim loại hoặc kính (thủy tinh). Vỏ kim loại sẽ hoạt động như một lớp lá chắn rất hiệu quả, ngăn chặn hoàn toàn thông tin liên lạc. Lớp vỏ kính (thủy tinh) có thể cho phép năng lượng điện từ truyền qua nó, nhưng độ dày điện của nó ở tần số mm-Wave cao có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của các mảng chip.
Bài viết này sẽ tiếp cận các phương pháp thiết kế vỏ sau của điện thoại di động khi tích hợp dải ăng-ten dựa trên chip bằng cách cung cấp hành vi quét trên tần số mong muốn. Các phương pháp và hạn chế được đưa ra ở đây sẽ hỗ trợ các kỹ sư ăng-ten công nghệ 5G đề xuất các thiết kế cơ và điện sẽ hoạt động tối ưu để cung cấp kết nối tốc độ dữ liệu cao hiệu quả theo sở thích của người dùng mà không làm ảnh hưởng đến tính thẩm mỹ và trải nghiệm cầm nắm khi sử dụng thiết bị.
Mặt sau của điện thoại có thể được coi như một vòm bọc ăng-ten (radome), các kỹ thuật radome thường được ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ. Đối với chất điện môi, thiết kế vỏ bọc phải tính đến các đặc tính vật liệu và độ dày của nó. Ví dụ, đối với điện thoại có mặt lưng bằng kim loại, một radome tải tích hợp bề mặt chọn lọc tần số (Frequency Selective Surface) được thiết kế và tích hợp trong vỏ điện thoại, cho phép bức xạ điện từ truyền qua trong dải tần số phù hợp.
Mở đầu
Kết nối công nghệ 5G sẽ sử dụng công nghệ sóng milimet (ở tần số trên 20 GHz) để phân bổ nhiều kênh hơn và giảm bớt nhu cầu ngày càng tăng về dung lượng không dây. Các bước sóng nhỏ hơn ở tần số mm-Wave sẽ giúp các kỹ sư thiết kế ăng-ten nhỏ hơn để cài đặt trong các thiết bị người dùng nhỏ gọn như điện thoại di động. Kỹ thuật lái chùm tia của các mảng ăng-ten nhỏ như vậy là yếu tố quan trọng trong tầm nhìn chiến lược 5G, vì nó cho phép thiết bị chọn hướng tốt nhất để thiết lập giao tiếp với các trạm phát sóng và thiết bị khác, đồng thời giúp tiết kiệm ngân sách bằng cách tập trung sử dụng năng lượng bức xạ .
Mô-đun ăng-ten mm-Wave có thể được sản xuất trong một gói tích hợp cả dải ăng-ten nhỏ và tần số vô tuyến front-end. Phương pháp thiết kế anten-inpackage (AiP) này giúp giảm thiểu tổn thất trong đường truyền ở tần số cao [1-2].
Mô-đun AiP có thể được sản xuất ở quy mô lớn và về nguyên tắc có thể được cài đặt trong bất kỳ thiết bị nào. Trong bài viết này, chúng tôi xử lý tình huống tích hợp trong đó mô-đun ăng-ten được thiết kế bởi chính đội ngũ của chúng tối và dự định sử dụng trong nhiều loại bộ phận hoặc được mua dưới dạng linh kiện bán sẵn (components-off-the-shelf) từ một nhà cung cấp. Trong dải tần số milimet, vỏ ngoài của hầu hết các thiết bị điện tử tiêu dùng quá dày nên cần phải được chú ý tới. Trong Hình 1, đặc tính dẫn truyền của thanh điện được thể hiện dưới dạng hàm của độ dày của nó theo bước sóng.
Ví dụ, chúng ta có thể coi mặt sau của một chiếc điện thoại di động hiện đại được làm bằng kính (thủy tinh) với hằng số điện môi là 6,84. Ở 28 GHz, độ dày tối ưu để truyền tối đa khoảng nửa bước sóng tùy thuộc vào góc quét là 2,05 mm. Nếu tổng độ dày của thiết bị là khoảng 8,0 mm, thì độ dày thiết kế tuy tối ưu nhưng chắc chắn sẽ quá cồng kềnh để có thể sử dụng trong thực tế. Trong bài báo này, chúng tôi giải quyết vấn đề được nêu trên bằng cách áp dụng các kỹ thuật thiết kế radome cho một nắp lưng điện thoại cao cấp. Đối với vỏ điện môi, hoặc thiết kế radome nguyên khối, chúng tôi cung cấp một bộ phương trình có thể được sử dụng để hỗ trợ việc lựa chọn vật liệu và độ dày. Đối với mặt sau bằng kim loại, một cửa sổ điện từ được thiết kế bằng công nghệ FSS thường thấy trong các thiết kế radome cho ngành hàng không vũ trụ.
Vỏ điện môi (dielectric cover)
Vỏ điện môi có thể được chia thành hai loại: radome mỏng và radome dày. Radome mỏng được phân biệt bởi một thanh điện không dày hơn 10% bước sóng mong muốn. Ví dụ, nếu muốn điện thoại có mặt lưng bằng kính (thủy tinh) của chúng tôi mỏng hơn sẽ yêu cầu radome phải có độ dày tối đa là 0,65 mm. Lớp vỏ mỏng như thế này có thể thiếu độ bền cơ học để sử dụng trong điện thoại. Mặt khác, radome dày được thiết kế trong với thanh điện có bội số của một nửa bước sóng mong muốn. Nếu ℎ là độ dày tối ưu, phương trình thiết kế được đưa ra như sau.
Phương trình 1
Trong phương trình 1, ???? là bậc của radome và ???????? là góc tới. Nói chung, các radomes dày bậc đầu tiên được ưu tiên hơn. Chúng ta cũng có thể viết lại Công thức 1 để tìm các giá trị ???????? tối ưu nếu độ dày ℎ được cho trước.
Phương trình 2
Từ phương trình 1 và 2, chúng ta có thể kết luận rằng:
• Đối với thiết kế có hằng số điện môi không đổi, hằng số càng cao thì độ dày tối ưu phụ thuộc vào góc tới càng nhỏ;
• Đối với một thiết kế có độ dày không đổi, độ dày thiết kế càng thấp thì hằng số điện môi càng cao.
Để hình dung rõ hơn những kết quả đó, Hình 2 cho thấy độ dày và hằng số điện môi đối với các đặc tính dẫn truyền tối ưu với ba vật liệu khác nhau và ba độ dày thiết kế khác nhau.
Từ Hình 2, chúng ta có thể thấy rằng các nắp lưng có độ dày từ 1 đến 2 mm sẽ yêu hằng số điện môi của vật liệu trong khoảng 8 đến gần 30. Điều này về cơ bản loại trừ việc sử dụng nhựa như ABS và yêu cầu các vật liệu cứng hơn như gốm sứ.
Vỏ kim loại
Các thiết kế radome nguyên khối bằng gốm có thể đưa ra một giải pháp khả thi, nhưng các yêu cầu cơ học có thể cản trở ứng dụng của chúng. Nắp lưng kim loại đã được sử dụng rộng rãi trong các điện thoại di động cao cấp đời cũ. Giao tiếp không dây được kích hoạt bằng cách chèn các khe điện môi để hoạt động như các cửa sổ điện từ trong vỏ máy. Các khe cắm cũng có thể tách các vùng khác nhau của vỏ kim loại cho phép sử dụng vỏ bọc như một bộ phận cấu tạo của thiết kế ăng-ten. Ở tần số mm-Wave, cửa sổ điện từ có thể được nhận ra bởi một bề mặt chọn lọc tần số (Frequency selective surface). FSS là một cấu trúc tuần hoàn 2D có thể được thiết kế trong suốt trong một dải tần nhất định.
Nắp lưng FSS được thiết kế cho vỏ có độ dày 1 mm. Lớp FSS có độ dày 0,1 mm và được kẹp giữa hai lớp điện môi có hằng số điện môi tương đối là 9. Cùng một vật liệu tạo nên các vùng không dẫn điện của lớp FSS, thể hiện trong Hình 3.
Hình dạng chỉ định cho FSS là một thiết kế vòng tròn lặp, vì nó mang lại thiết kế nhỏ gọn hơn và ổn định hơn về tần số và góc tới. Một mạng tinh thể tam giác được sử dụng để tăng mật độ của các phần tử, và bằng cách giữ khoảng cách nhỏ giữa các phần tử, chúng ta có thể tránh được các vấn đề với các grating lobe [3]. FSS đã được tối ưu hóa ở cấp độ đơn vị tế bào quang điện. Đối với chiều rộng điện môi của vòng là 0,2 mm thì hàm mục tiêu là
Hình dạng cuối cùng có đường kính vòng là 1,18 mm và khoảng cách giữa các phần tử là 1,29 mm, như được thể hiện trong Hình 3. Kết quả hiệu suất cho sự suy hao phản xạ cho cả hai phân cực được thể hiện trong Hình 4.
Tích hợp đầy đủ mô hình
Các phương trình và mệnh đề được cung cấp cho đến nay được rút ra từ các thử nghiệm thực tế nổi tiếng về kỹ thuật radome, và do đó giả định rằng radome được chiếu sáng bởi một sóng phẳng. Nói cách khác, họ coi radome nằm trong vùng trường xa của ăng-ten: Giả định rằng khoảng cách giữa mô-đun ăng-ten và nắp lưng của điện thoại là lớn hơn 17 mm ở 28 GHz. Điều này rõ ràng không được đáp ứng được điều kiện trong ứng dụng này. Vì thế, tích hợp mô hình đầy đủ là một bước rất quan trọng không chỉ là một bước để xác nhận mà còn nằm trong quy trình thiết kế để cho phép tinh chỉnh các thông số phù hợp về mặt tổng thể.
AiP được dùng bao gồm một mảng ăng-ten 2×2 vá xếp chồng lên nhau và hoạt động trong dải tần 26,5-29,5 GHz và để hướng chùm tia tới +/- 30 độ theo cả hai trục với phân cực kép. Nó là hình vuông với chiều dài cạnh 10,71 mm. Mô-đun được lắp ở một phần tư góc trên bên phải mặt sau điện thoại, như trong Hình 5, với khoảng cách 1 mm giữa mô-đun và vỏ.
Kính (thủy tinh) được sử dụng làm vật liệu trong thiết kế radome (vòm bọc ăng-ten) nguyên khối. Thay vì làm dày toàn bộ nắp lưng, chúng tôi mượn ý tưởng về cửa sổ điện từ và áp dụng phương pháp làm dày cục bộ cho riêng vị trí của radome ngay phía trên ăng-ten để đạt được độ dày yêu cầu là 2,05 mm (xem Hình 6).
Hiệu suất điện từ của vỏ bọc này ở dưới mức tối ưu. Mặc dù đã quan sát thấy sự cải thiện về khả năng kết hợp hiệu quả của ăng-ten, nhưng biểu đồ bức xạ khá méo mó bởi các gợn sóng (Hình 7), do một phần năng lượng được dẫn vào bên trong vỏ điện môi hoặc lan truyền dọc theo bề mặt của PCB trước khi được bức xạ.
Đối với mặt sau bằng kim loại, đã có các nghiên cứu về mức độ phủ sóng của FSS sẽ lớn như thế nào, vì mô-đun ăng-ten thường được đặt gần các góc và cạnh sẽ gây ra các hạn chế về phạm vi phủ sóng. Ba vùng phủ sóng khác nhau trong Hình 8 đã được so sánh. Kết quả của các vùng phủ sóng khác nhau đối với mô hình bức xạ trong góc phương vị và kết hợp ăng ten được thể hiện trong Hình 9. Đối với ứng dụng này, FSS phải lớn hơn ít nhất một chút so với vùng phủ sóng của ăng ten để có thể hoạt động phù hợp. Việc tích hợp FSS trong vỏ sau của điện thoại cung cấp một cửa sổ điện từ tuyệt vời cho phép mô-đun ăng-ten bức xạ hiệu quả như mong muốn (gần như không có gợn sóng), mô hình trường xa được thể hiện trong Hình 10.
Kết luận
Bài viết này tập trung vào vấn đề tích hợp một mô-đun antenna-in-package có khả năng kết nối công nghệ 5G ở tốc độ 28 GHz bên trong điện thoại di động cao cấp. Các kỹ thuật radome phổ biến trong ngành hàng không vũ trụ đã được áp dụng cho thiết kế vỏ sau.
Thiết kế radome nguyên khố là giải pháp tối ưu kém cho ứng dụng này, vì nó tạo ra dạng bức xạ gợn sóng. Tuy nhiên, không thể loại bỏ hoàn toàn khả năng ứng dụng của vỏ bọc điện môi đối với tất cả các thiết bị của người dùng cuối, vì nó có khả năng mang lại hiệu suất mong muốn trong trường hợp khoảng cách giữa mô-đun ăng-ten và vỏ bọc có thể tăng lên.
Vỏ kim loại được tải FSS là một giải pháp đầy hứa hẹn, ít nhất là về hiệu suất điện từ, vì có thể đáp ứng các yêu cầu về kết hợp ăng-ten và điều hướng chùm tia ngay cả đối với những khoảng trống nhỏ giữa vỏ và mô-đun ăng ten. Tuy nhiên hiệu suất này sẽ hy sinh về mặt thiết kế và quy trình sản xuất phức tạp.
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.
Liên hệ AES Việt Nam để tìm hiểu và được tư vấn về giải pháp mô phỏng SIMULIA
