出門上班時，您車庫的門會自動關閉，同時它還會給您辦公室的咖啡機發信息，告訴後者開始煮咖啡。同樣是在這一天，您的洒水系統接到天氣預報知道馬上要下雨了，所以取消了下午的草坪洒水安排。這並不是一部未來派的電視節目，而是對即將推出的『物聯網』和下一代無線通信系統 5G 網路的真實寫照。不過，我們首先需要為此優化現有移動設備中天線的性能。

下一代移動技術：物聯網和 5G

技術達人們已經在他們的家裡實現了一定程度的自動化，比如使用手機 App 來啟動洗碗機或調節恆溫器。物聯網 (IoT)是現在較新的一種理念，人們也把它叫做「產業互聯網」，甚至戲稱為「萬物聯網」，物聯網將這些簡單的自動化工作又提升了一個等級，支持在對象和聯網設備之間進行數據交流。

最終，IoT 將能走出簡單的家庭和建築物自動化，走進更多更高級的應用領域。在一個理想的物聯網中，移動設備將能夠收集和解讀諸如您的位置和已知偏好等信息，然後與「智能對象」通訊，期間不需要您進行任何輸入。

物聯網在將來的廣泛應用會包括：

  • 媒體
    • 開車經過高速公路上的廣告牌或收看電視廣告時，設備會自動根據收集的數據判斷出您喜歡的廣告產品，這時，您將收到關於商品詳情的信息。
  • 交通
    • 您的車子不僅能夠自動平行停車，還可以自動導航和駕駛。隨著技術的進步，火車和飛機也將進行類似改進，這些只是 IoT 幫助我們簡化出行的幾個簡單方面。
  • 醫療保健
    • 醫療設備將能自動管理用藥，並監控病人的情況及整體健康狀況。心臟起搏器、助聽器以及心臟監聽儀會使醫生和病人之間的交流變得更加流暢。
  • 環境保護及能源節約感測器會根據人員的活動開關照明和電子設備，減少能耗。在更大範圍內，改進的 IoT 還能負責監控水與空氣質量，以及其他各種環境問題。
  • 基礎設施
    • IoT 感測器會出於安全及安保的目的監控橋樑、鐵路和廢物管理系統的結構穩定性。

隨著智能手機在社會上的普及，物聯網將能輕鬆收集我們的個人數據，並將其用於和其他對象及智能設備間的通信。但是，在暢想 IoT 可能實現的各種功能之前，我們需要先開發出下一代移動技術來優化智能手機。

當 5G 取代 4G LTE 後……

下一代無線通信網路現在被命名為 5G。目前，5G 還只是一個概念，預計將在 2020 年正式推廣，因此移動行業需要在短時間內完成大量工作。

大部分無線通訊專業人士都認為 5G 將取代 4G LTE 後，它將滿足三個核心需求：

  1. 延遲縮短到小於 1 秒。
  2. 針對數萬並發用戶的數據速率可以提升到至少 1 Gb/秒。
  3. 提高能效。

不論 5G 的發布將為無線通信行業帶來哪些改進，我們的主要目標都是希望能通過提升速度和效率實現移動技術、數據收集和無線通信的無縫集成。 沒有這些優勢的話，物聯網無法正確工作，將變得多餘。

在全球各地 5G 研究人員開展的諸多研究工作中，對移動設備天線的優化是一項重要研究課題。雖然 5G 應用的標準化尚未完成，但許多研究人員已著手開發各種可拓展物聯網世界的應用，我們可以從研究一個介紹性的基本模型開始，即我們案例庫中的模擬移動設備天線教程模型，它介紹了如何設計移動設備中的一個小型天線。

優化移動設備的天線設計

移動設備的天線必須足夠小、足夠輕，以便能放入手機設備中分配給它的有限空間。平面倒 F 天線 (PIFA) 體積小、功率強大，而且效率很高，所以非常適合用於無線通信。這些天線可以幫助蜂窩設備、WiFi 及Bluetooth? 技術實現多頻段覆蓋，因此也非常適合 IoT 兼容對象與設備。

本教程中模擬的移動設備是一個 4G 設備，其中包括一個安裝在 PTFE 塊上的含 FR4 印刷電路板的 PIFA、ABS 外殼，以及包含複合硅襯底的玻璃。天線本身包含塗覆一層高導電薄銅層的 PFTE 塊、介於完美電導體 (PEC) 底面和饋帶之間的集總埠、以及短接至底面並與饋帶相鄰、用於實現阻抗匹配的另一個導電帶。它還包括了一個阻抗匹配狹隙，用於將天線匹配至 50 Ω 的參考阻抗。

移動設備中平面倒 F 天線的模型幾何。

PEC 邊界具有較低的下行頻率範圍，因此在模擬中被用於模擬天線。由於銅層具有很高的電導率，所以可忽略金屬損耗。將 PIFA 作為一個由完美匹配層 (PML) 包覆的球形域進行模擬，PML 層負責吸收所有向外的輻射。集總埠的參考阻抗為 50 Ω，用於激勵 PIFA

和計算輸入阻抗。

藉助模擬，我們可以計算 PIFA 的場分布圖。結果顯示了模型上方遠離饋帶的另一端的金屬表面的場。這些測量實際上類似於四分之一波長單極子天線陣模型中的測量，PIFA 正是它的一種衍生設計。

PIFA 上部電場分布的結果圖。

模擬還計算了極坐標格式的遠場輻射模式。方位角的輻射模式不再是全向模式，因為我們已經最小化了天線，它目前僅位於底面的一個小角落中。

觀察 S 參數發現電壓駐波比 (VSWR) 小於 2:1，說明天線的輸入阻抗與參考阻抗非常匹配，這也是網路分析員和其他常見測試系統中要進行的例行測量。

計算給定 AWS 下行頻率範圍內的 S 參數。

除了二維遠場計算之外，您還能查看輻射模式的三維模擬，其中會顯示最大輻射及空值。

PIFA 的三維遠場輻射模式。

為了滿足 5G 應用，在上面這個介紹性的模型基礎之上，我們還需要進行更多的研究工作。如果需要處理更高的數據速率，工作頻率應該增加至毫米範圍，以便支持更寬的帶寬。這將在發射端和接收端之間造成更高的路徑損耗，因此天線應該能提供更高的增益來覆蓋更遠的距離。

但是從方位角來看，這將極大地降低覆蓋範圍，因為輻射模式會非常銳利。因此，需要相控陣天線來將輻射束引向所需方向，以便突破高增益天線中的角相關限制。

通過優化移動設備天線的設計與性能，當然也包括我們上面提到的那些方面，我們也許能先於預期開發出一個理想的物聯網，也許很快就能享受這一新技術帶來的各種便利。

其他資源

  • 下載教程模型：模擬移動設備的天線
  • Wired 網站文章：「在可編程的世界，所有對象都將協同工作」
  • Tech Republic網站文章：「沖向 5G：移動未來的發展之路」

經授權轉載自 cn.comsol.com/blogs/，原作者 Brianne Costa。


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