Перенастраиваемая по частоте антенна с открытым пазом для приложений смартфонов LTE

Почему вашему телефону нужны более умные антенны

Пока наши телефоны одновременно справляются со стримингом, видеозвонками, навигацией и множеством приложений, им приходится работать с множеством беспроводных диапазонов. Но внутри тонкого смартфона места крайне мало. В этой статье представлен новый компактный дизайн антенны, который может менять своё поведение по требованию, позволяя одному небольшому элементу охватывать все основные 4G LTE-диапазоны, используемые по всему миру, не жертвуя временем работы от батареи и качеством сигнала.

Больше возможностей при меньшем объёме

Современные смартфоны должны работать в широком диапазоне частот, чтобы подключаться к разным сетям и в разных странах. Традиционно это означало либо размещение нескольких антенн, либо использование громоздких и сложных конструкций, которые конкурируют за место с камерами, аккумуляторами и большими экранами. Работа, описанная в этой статье, решает эту проблему с помощью одного «открытого паза», вырезанного в основной плате телефона. Тщательно формируя этот паз и подводя к нему тонкую металлическую полоску, автор превращает часть существующей электроники в мощную антенну, экономя место и одновременно достигая необходимых низких и высоких полос LTE.

Паз, который может менять свою «мелодию»

Суть конструкции в том, что антенна не ведёт себя только одним фиксированным образом. Вместо этого она может перенастраиваться электронно. Паз проходит вдоль верхней части платы стандартного размера телефона, а на противоположной стороне L-образная металлическая полоска подаёт в него энергию. Небольшие электронные элементы — крошечная катушка и крошечный конденсатор — подключены к пазу через переключатели. Включение того или иного пути меняет распределение токов в пазе и фактически удлиняет или укорачивает электрический путь. Это сдвигает естественные «ноты» антенны, или резонансные частоты, вверх или вниз, подобно изменению натяжения или длины струны на гитаре. Всего двумя такими элементами и тремя простыми состояниями — без дополнительного элемента, с добавленной ёмкостью или с добавленной индуктивностью — один и тот же паз можно настроить так, чтобы покрывать восемь ключевых LTE-диапазонов примерно от 700 мегагерц до 2,7 гигагерц.

Подтверждение идеи в лаборатории

Чтобы показать, что это не только моделирование, автор изготовил рабочий прототип на распространённой стеклотекстолитовой плате. Антенну подключили к измерительному прибору, который оценивает, какая часть входящего сигнала отражается вместо того, чтобы излучаться — ключевой показатель того, насколько хорошо антенна согласована с электроникой. Во всех трёх состояниях переключателей прототип стабильно поддерживал низкий уровень отражений по всем требуемым диапазонам, особенно в традиционно труднодоступных низких частотах, используемых для дальних связей. Дополнительные проверки показали, что переключаемые элементы вносят лишь незначительные дополнительные потери, а небольшие отклонения значений катушки и конденсатора или длины платы — такие, какие возможны между разными моделями телефонов — не разрушают покрытие.

Как это работает в реальных условиях

Помимо базовой настройки, исследование оценивало, насколько эффективно антенна превращает электрическую энергию в радиоволны и как выглядят её диаграммы направленности в пространстве. Измерения в безэховой камере, имитирующей свободное пространство, показали высокую суммарную эффективность как в низких, так и в высоких диапазонах, с лишь небольшими отличиями между тремя состояниями. Диаграмма направленности несколько неравномерна из-за асимметричной формы антенны, но остаётся стабильной и предсказуемой, что важнее всего для проектировщиков. Автор также моделировал присутствие руки и головы пользователя — стандартная практика для проверки того, как тело влияет на перестройку антенны и сколько энергии оно поглощает. Даже в этих более суровых условиях антенна оставалась в пределах норм по показателю удельного поглощения энергии и обеспечивала требуемую полосу пропускания.

Сравнение с другими решениями

Статья сравнивает новую антенну со многими недавними перенастраиваемыми конструкциями, которые используют различные формы, слои и типы переключающих устройств. Многие ранние подходы либо занимают больше площади, требуют нескольких элементов настройки и управляющих линий, либо не обеспечивают полного покрытия низших LTE-диапазонов при сохранении высокой эффективности. Напротив, данная конструкция на основе паза эффективно использует собственную заземляющую плоскость телефона, сохраняет простоту компоновки и опирается всего на два переключателя в сочетании с катушкой и конденсатором. Это обеспечивает широкий диапазон настройки и компактный форм-фактор, что особенно привлекательно для телефонов с экраном, приближённым к краям, где мало места для отдельного антеннного модуля.

Что это значит для будущих телефонов

Проще говоря, статья показывает, что одна тонкая антенна, вытравленная в основной плате телефона, может «перенастраиваться» и работать во всех важных LTE-диапазонах без потери эффективности или безопасности. Переключаясь между несколькими электрическими состояниями, антенна адаптируется к разным частям спектра и при этом остаётся достаточно небольшой для современных безрамочных дизайнов. Такой подход может помочь будущим смартфонам, планшетам и другим портативным устройствам оставаться подключёнными в большем числе мест с меньшим количеством компонентов, освобождая пространство для других функций при сохранении высокой беспроводной производительности.

Цитирование: Abdelgwad, A.H. Frequency reconfigurable open-slot antenna for LTE smartphone applications. Sci Rep 16, 14696 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49763-x

Ключевые слова: антенна смартфона, диапазоны LTE, перенастраиваемая антенна, конструкция с открытым пазом, беспроводная связь