3D-gedruckte Antennen-Arrays für 5G-Smartphone-Anwendungen

Im Rahmen einer neuen Studie untersucht ein Forscher-Team den 3D-Druck von kapazitiv gekoppelten Patch-Antennen-Arrays für 5G-Smartphone-Anwendungen. Diese Arrays weisen eine hohe Verstärkung sowie Reichweite auf und stellen eine 360-Grad-Abdeckung in der Elevationsebene bereit.

Publiziert wurde diese spannende Forschung bereits unter dem Titel “Ein kapazitiv gekoppeltes Patch-Antennen-Array mit hoher Verstärkung und großer Reichweite für 5G-Smartphone-Anwendungen”.

“Die vorgeschlagene Antenne ist ein Paar kompakte kapazitiv gekoppelte symmetrische Patches, wie in Abb. 1 gezeigt”, erklären die Forscher. “Die Gesamtgröße des vorgeschlagenen Designs beträgt 3,7 mm × 3,25 mm. Rogers RT5880 mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von 2,2 und einer Verlusttangente von 0,0009 im Frequenzband von 24-28 GHz wird als Substrat für gedruckte Leiterplatten (PCB) verwendet. Die Patches sind auf der obersten Schicht des Substrats gedruckt. Die untere Schicht des Substrats besteht aus der Grundebene. Der Innenleiter der koaxialen Sondenzuführung erstreckt sich von der Erdungsebene durch das PCB-Substrat, um die Oberschichtzuführung zu erreichen, die die Flecken kapazitiv koppelt.”

Die hier erreichte Frequenz von 24-28 GHz bei diesen Antennenelementen stellt ein mögliches Frequenzband für künftige 5G-Smartphone-Anwendungen dar. Um auch eine 360-Grad-Abdeckung zu erreichen, wurden vier Sub-Arrays, bestehend aus 12 Antennenelementen, welche jeweils 90 Grad in der Elevationsebene bereitstellen, in das Gehäuse eines Smartphones integriert.

“Das Antennen-Array erreicht eine hohe Verstärkung von 16,5 dBi in der Ziellinie und kann in der Phi-Ebene von -60 ° bis 60 ° gelenkt werden”, fügen die Forscher hinzu. “Die vorgeschlagene Antenne zeigte über das beabsichtigte Frequenzband hinweg eine stabile Verstärkung und ein gleichmäßiges Strahlungsmuster.”

Aufgrund des vergleichsweise relativ kleinen Design der Antennen benötigen diese weniger Platz als existierende Designs und bieten so mehr Raum für Antennenelemente entlang der Breite der Mobiltelefon-Masseebene. Überdies lässt sich die 5G-Bandbreite der Antennen-Arrays durch eine Modifikation der Antennenstruktur noch weiter ausweiten.

Um dieses Projekt durchführen zu können, nahmen die Forscher auch Veränderungen am Gehäuse des Smartphones vor. In einem ersten Schritt modifizierten die Forscher die normalerweise flache Leiterplatte des Telefons zu einer dreidimensionalen Form, was sie selbst als “futuristischen Ansatz” bezeichnen. Diese neue 3D-Leiterplatte nutzt die gesamte Dicke des Telefons (~ 7-9mm) und bietet so mechanische Unterstützung. Weiters ermöglicht die 3D-Form der Leiterplatte nun die Platzierung von mehreren PCB-Komponenten sowie zusätzlichen 5G-Antennenelemente zusammen mit dem entsprechenden RFIC.

“Die vorgeschlagene Anordnung besteht aus vier Sub-Arrays mit drei Sub-Arrays von vorgeschlagenen Antennenelementen auf verschiedenen Seiten des unteren Randbereichs in PCB und einem Sub-Array an den Seiten des oberen Randbereichs in PCB. […] Jedes Sub-Array hat 12 Antennenelemente und insgesamt 48 Antennenelemente. Jedes Sub-Array bietet 90 ° Abdeckung in der Theta-Ebene. “

Im Rahmen der Studie führten die Forscher auch weitgehende Untersuchungen in Bezug auf die Antennenleistung durch. Diese brachten vorwiegend positive Ergebnisse hervor und führen das Forscherteam zu dem Schluss, dass diese neuartige Konfiguration künftig bei der Herstellung von Smartphones mit 5G-Funktionen nützlich sein kann.