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一种可让手机同时接入4G和5G网络的新设计

A new design that allows mobile phones to simultaneously access 4G and 5G networks

来源:IEEE电气电子工程师学会;作者:Michelle Hampson, Mar. 07, 2019 – 

阿尔托大学(Aalto University)的研究人员设计的一款原型手机展示了毫米波天线和LTE天线在单个设备上的共存。

任何新旧技术之间的转换都存在兼容性问题,向5G无线通信的转换也不例外。在这一转换过程中,需要克服的一个障碍是在单个手机上同时包含支持LTE网络传输的较长波长的现有天线和可以支持5G网络上毫米波长信号的新天线。在一项新的概念验证性研究中,阿尔托大学的Joni Kurvinen及其同事们展示了一种新设计,该设计将两种类型的天线整合在了一个设备中。

利用5G网络的高频波长,数据能以更高的速率传输,但这些波长往往在短距离内非常快速地衰减。因此,人们希望拥有的新手机不仅能够利用5G(其信号以28千兆赫左右的频率传输),而且还能支持目前的4G LTE网络(其信号以700兆赫兹甚至更高的频率传输)。

问题是什么呢?

"LTE和毫米波频率在频谱上相差甚远,两者无法用一根天线覆盖。因此,需要多根天线。"Kurvinen解释道。"主要的挑战是天线的放置位置,它们既要装配在移动设备中,又不会影响彼此的性能。"

目前,很多LTE天线都集成在手机的金属边框内,作为一个耦合元件,在整个设备中激发谐振电流。Kurvinen及其同事的设计保持了这种方法,在手机底部一侧的金属边框内嵌入了一根LTE天线。在这种情况下,天线同时支持LTE网络的低频段和高频段。

支持毫米波第二根天线被设计为其所有金属部件与LTE天线的金属部件距离足够远。多远是足够远?事实证明,把它放在手机底部边框的另一侧就足够了。天线被塞入一个钻在金属边框上的、允许毫米波辐射通过的洞里。

该设备可以将毫米波天线封装在与LTE天线相同的体积内。

然后用塑料将洞填充起来,塑料对这一设计的支撑是多方面的。首先,塑料将LTE和毫米波天线相互隔离,这样它们就不会干扰彼此的工作。其次,塑料还会降低馈送到毫米波天线的信号的波长,这使得天线结构可以更小、更紧凑。

Kurvinen说:"这项研究可能是第一个将两根天线完全包含在同一设备中的研究,而且,在不显著牺牲任何一根天线的性能的情况下,将它们放在了一个共用空间内。"

模拟及直接测量表明,这种双天线系统的效率为60%,这对于移动电话系统而言已经是相当高的效率了。但对于这个数字,也有几点需要注意的。Kurvinen及其同事们承认,这是一款原型手机,它缺少商业化手机中出现的很多其他部件。更重要的是,这款原型机的印刷电路板的尺寸比典型的手机的要大。最后,这种设计仅支持去往和来自设备末端的毫米波通信,而为了达到最佳毫米波覆盖,手机还应配备产生宽边辐射的天线,以便信号可以通过手机的显示屏和/或后盖接收。

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