優(yōu)化現(xiàn)有移動(dòng)設(shè)備中天線的性能來推出下一代移動(dòng)技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)和 5G

出門上班時(shí)，您車庫(kù)的門會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)它還會(huì)給您辦公室的咖啡機(jī)發(fā)信息，告訴后者開始煮咖啡。同樣是在這一天，您的灑水系統(tǒng)接到天氣預(yù)報(bào)知道馬上要下雨了，所以取消了下午的草坪灑水安排。這并不是一部未來派的電視節(jié)目，而是對(duì)即將推出的‘物聯(lián)網(wǎng)’和下一代無線通信系統(tǒng) 5G 網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)寫照。不過，我們首先需要為此優(yōu)化現(xiàn)有移動(dòng)設(shè)備中天線的性能。

下一代移動(dòng)技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)和 5G

技術(shù)達(dá)人們已經(jīng)在他們的家里實(shí)現(xiàn)了一定程度的自動(dòng)化，比如使用手機(jī) App 來啟動(dòng)洗碗機(jī)或調(diào)節(jié)恒溫器。物聯(lián)網(wǎng)(IoT)是現(xiàn)在較新的一種理念，人們也把它叫做“產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，甚至戲稱為“萬物聯(lián)網(wǎng)”，物聯(lián)網(wǎng)將這些簡(jiǎn)單的自動(dòng)化工作又提升了一個(gè)等級(jí)，支持在對(duì)象和聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。

最終，IoT 將能走出簡(jiǎn)單的家庭和建筑物自動(dòng)化，走進(jìn)更多更高級(jí)的應(yīng)用領(lǐng)域。在一個(gè)理想的物聯(lián)網(wǎng)中，移動(dòng)設(shè)備將能夠收集和解讀諸如您的位置和已知偏好等信息，然后與“智能對(duì)象”通訊，期間不需要您進(jìn)行任何輸入。

物聯(lián)網(wǎng)在將來的廣泛應(yīng)用會(huì)包括：

媒體

開車經(jīng)過高速公路上的廣告牌或收看電視廣告時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)根據(jù)收集的數(shù)據(jù)判斷出您喜歡的廣告產(chǎn)品，這時(shí)，您將收到關(guān)于商品詳情的信息。

交通

您的車子不僅能夠自動(dòng)平行停車，還可以自動(dòng)導(dǎo)航和駕駛。隨著技術(shù)的進(jìn)步，火車和飛機(jī)也將進(jìn)行類似改進(jìn)，這些只是 IoT 幫助我們簡(jiǎn)化出行的幾個(gè)簡(jiǎn)單方面。

醫(yī)療保健

醫(yī)療設(shè)備將能自動(dòng)管理用藥，并監(jiān)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(jiān)聽儀會(huì)使醫(yī)生和病人之間的交流變得更加流暢。

環(huán)境保護(hù)及能源節(jié)約

傳感器會(huì)根據(jù)人員的活動(dòng)開關(guān)照明和電子設(shè)備，減少能耗。在更大范圍內(nèi)，改進(jìn)的 IoT 還能負(fù)責(zé)監(jiān)控水與空氣質(zhì)量，以及其他各種環(huán)境問題。

基礎(chǔ)設(shè)施

IoT 傳感器會(huì)出于安全及安保的目的監(jiān)控橋梁、鐵路和廢物管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

隨著智能手機(jī)在社會(huì)上的普及，物聯(lián)網(wǎng)將能輕松收集我們的個(gè)人數(shù)據(jù)，并將其用于和其他對(duì)象及智能設(shè)備間的通信。但是，在暢想 IoT 可能實(shí)現(xiàn)的各種功能之前，我們需要先開發(fā)出下一代移動(dòng)技術(shù)來優(yōu)化智能手機(jī)。

當(dāng) 5G 取代 4G LTE 后……

下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在被命名為5G。目前，5G 還只是一個(gè)概念，預(yù)計(jì)將在 2020 年正式推廣，因此移動(dòng)行業(yè)需要在短時(shí)間內(nèi)完成大量工作。

大部分無線通訊專業(yè)人士都認(rèn)為 5G 將取代 4G LTE 后，它將滿足三個(gè)核心需求：

延遲縮短到小于 1 秒。

針對(duì)數(shù)萬并發(fā)用戶的數(shù)據(jù)速率可以提升到至少 1 Gb/秒。

提高能效。

不論 5G 的發(fā)布將為無線通信行業(yè)帶來哪些改進(jìn)，我們的主要目標(biāo)都是希望能通過提升速度和效率實(shí)現(xiàn)移動(dòng)技術(shù)、數(shù)據(jù)收集和無線通信的無縫集成。 沒有這些優(yōu)勢(shì)的話，物聯(lián)網(wǎng)無法正確工作，將變得多余。

在全球各地 5G 研究人員開展的諸多研究工作中，對(duì)移動(dòng)設(shè)備天線的優(yōu)化是一項(xiàng)重要研究課題。雖然 5G 應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化尚未完成，但許多研究人員已著手開發(fā)各種可拓展物聯(lián)網(wǎng)世界的應(yīng)用，我們可以從研究一個(gè)介紹性的基本模型開始，即我們案例庫(kù)中的模擬移動(dòng)設(shè)備天線教程模型，它介紹了如何設(shè)計(jì)移動(dòng)設(shè)備中的一個(gè)小型天線。

優(yōu)化移動(dòng)設(shè)備的天線設(shè)計(jì)

移動(dòng)設(shè)備的天線必須足夠小、足夠輕，以便能放入手機(jī)設(shè)備中分配給它的有限空間。平面倒 F 天線 (PIFA) 體積小、功率強(qiáng)大，而且效率很高，所以非常適合用于無線通信。這些天線可以幫助蜂窩設(shè)備、WiFi 及Bluetooth? 技術(shù)實(shí)現(xiàn)多頻段覆蓋，因此也非常適合 IoT 兼容對(duì)象與設(shè)備。

本教程中模擬的移動(dòng)設(shè)備是一個(gè) 4G 設(shè)備，其中包括一個(gè)安裝在 PTFE 塊上的含 FR4 印刷電路板的 PIFA、ABS 外殼，以及包含復(fù)合硅襯底的玻璃。天線本身包含涂覆一層高導(dǎo)電薄銅層的 PFTE 塊、介于完美電導(dǎo)體 (PEC) 底面和饋帶之間的集總端口、以及短接至底面并與饋帶相鄰、用于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的另一個(gè)導(dǎo)電帶。它還包括了一個(gè)阻抗匹配狹隙，用于將天線匹配至 50 Ω 的參考阻抗。

移動(dòng)設(shè)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范圍，因此在仿真中被用于模擬天線。由于銅層具有很高的電導(dǎo)率，所以可忽略金屬損耗。將 PIFA 作為一個(gè)由完美匹配層 (PML) 包覆的球形域進(jìn)行模擬，PML 層負(fù)責(zé)吸收所有向外的輻射。集總端口的參考阻抗為 50 Ω，用于激勵(lì) PIFA 和計(jì)算輸入阻抗。

借助仿真，我們可以計(jì)算 PIFA 的場(chǎng)分布圖。結(jié)果顯示了模型上方遠(yuǎn)離饋帶的另一端的金屬表面的場(chǎng)。這些測(cè)量實(shí)際上類似于四分之一波長(zhǎng)單極子天線陣模型中的測(cè)量，PIFA 正是它的一種衍生設(shè)計(jì)。

PIFA 上部電場(chǎng)分布的結(jié)果圖。

仿真還計(jì)算了極坐標(biāo)格式的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式。方位角的輻射模式不再是全向模式，因?yàn)槲覀円呀?jīng)最小化了天線，它目前僅位于底面的一個(gè)小角落中。

觀察 S 參數(shù)發(fā)現(xiàn)電壓駐波比 (VSWR) 小于 2:1，說明天線的輸入阻抗與參考阻抗非常匹配，這也是網(wǎng)絡(luò)分析員和其他常見測(cè)試系統(tǒng)中要進(jìn)行的例行測(cè)量。

計(jì)算給定 AWS 下行頻率范圍內(nèi)的 S 參數(shù)。

除了二維遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算之外，您還能查看輻射模式的三維仿真，其中會(huì)顯示最大輻射及空值。

PIFA 的三維遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式。

為了滿足 5G 應(yīng)用，在上面這個(gè)介紹性的模型基礎(chǔ)之上，我們還需要進(jìn)行更多的研究工作。如果需要處理更高的數(shù)據(jù)速率，工作頻率應(yīng)該增加至毫米范圍，以便支持更寬的帶寬。這將在發(fā)射端和接收端之間造成更高的路徑損耗，因此天線應(yīng)該能提供更高的增益來覆蓋更遠(yuǎn)的距離。

但是從方位角來看，這將極大地降低覆蓋范圍，因?yàn)檩椛淠Ｊ綍?huì)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(guān)限制。

通過優(yōu)化移動(dòng)設(shè)備天線的設(shè)計(jì)與性能，當(dāng)然也包括我們上面提到的那些方面，我們也許能先于預(yù)期開發(fā)出一個(gè)理想的物聯(lián)網(wǎng)，也許很快就能享受這一新技術(shù)帶來的各種便利。