优化 5G 网络及物联网的天线设计

Brianne Costa 2015年 6月 23日

出门上班时,您车库的门会自动关闭,同时它还会给您办公室的咖啡机发信息,告诉后者开始煮咖啡。同样是在这一天,您的洒水系统接到天气预报知道马上要下雨了,所以取消了下午的草坪洒水安排。这并不是一部未来派的电视节目,而是对即将推出的‘物联网’和下一代无线通信系统 5G 网络的真实写照。不过,我们首先需要为此优化现有移动设备中天线的性能。

下一代移动技术:物联网和 5G

技术达人们已经在他们的家里实现了一定程度的自动化,比如使用手机 App 来启动洗碗机或调节恒温器。物联网 (IoT)是现在较新的一种理念,人们也把它叫做“产业互联网”,甚至戏称为“万物联网”,物联网将这些简单的自动化工作又提升了一个等级,支持在对象和联网设备之间进行数据交流。

Internet of Things 优化 5G 网络及物联网的天线设计

最终,IoT 将能走出简单的家庭和建筑物自动化,走进更多更高级的应用领域。在一个理想的物联网中,移动设备将能够收集和解读诸如您的位置和已知偏好等信息,然后与“智能对象”通讯,期间不需要您进行任何输入。

物联网在将来的广泛应用会包括:

  • 媒体
    • 开车经过高速公路上的广告牌或收看电视广告时,设备会自动根据收集的数据判断出您喜欢的广告产品,这时,您将收到关于商品详情的信息。
  • 交通
    • 您的车子不仅能够自动平行停车,还可以自动导航和驾驶。随着技术的进步,火车和飞机也将进行类似改进,这些只是 IoT 帮助我们简化出行的几个简单方面。
  • 医疗保健
    • 医疗设备将能自动管理用药,并监控病人的情况及整体健康状况。心脏起搏器、助听器以及心脏监听仪会使医生和病人之间的交流变得更加流畅。
  • 环境保护及能源节约
      传感器会根据人员的活动开关照明和电子设备,减少能耗。在更大范围内,改进的 IoT 还能负责监控水与空气质量,以及其他各种环境问题。
  • 基础设施
    • IoT 传感器会出于安全及安保的目的监控桥梁、铁路和废物管理系统的结构稳定性。

随着智能手机在社会上的普及,物联网将能轻松收集我们的个人数据,并将其用于和其他对象及智能设备间的通信。但是,在畅想 IoT 可能实现的各种功能之前,我们需要先开发出下一代移动技术来优化智能手机。

当 5G 取代 4G LTE 后……

下一代无线通信网络现在被命名为 5G。目前,5G 还只是一个概念,预计将在 2020 年正式推广,因此移动行业需要在短时间内完成大量工作。

大部分无线通讯专业人士都认为 5G 将取代 4G LTE 后,它将满足三个核心需求:

  1. 延迟缩短到小于 1 秒。
  2. 针对数万并发用户的数据速率可以提升到至少 1 Gb/秒。
  3. 提高能效。

不论 5G 的发布将为无线通信行业带来哪些改进,我们的主要目标都是希望能通过提升速度和效率实现移动技术、数据收集和无线通信的无缝集成。 没有这些优势的话,物联网无法正确工作,将变得多余。

在全球各地 5G 研究人员开展的诸多研究工作中,对移动设备天线的优化是一项重要研究课题。虽然 5G 应用的标准化尚未完成,但许多研究人员已着手开发各种可拓展物联网世界的应用,我们可以从研究一个介绍性的基本模型开始,即我们案例库中的模拟移动设备天线教程模型,它介绍了如何设计移动设备中的一个小型天线。

优化移动设备的天线设计

移动设备的天线必须足够小、足够轻,以便能放入手机设备中分配给它的有限空间。平面倒 F 天线 (PIFA) 体积小、功率强大,而且效率很高,所以非常适合用于无线通信。这些天线可以帮助蜂窝设备、WiFi 及Bluetooth® 技术实现多频段覆盖,因此也非常适合 IoT 兼容对象与设备。

本教程中模拟的移动设备是一个 4G 设备,其中包括一个安装在 PTFE 块上的含 FR4 印刷电路板的 PIFA、ABS 外壳,以及包含复合硅衬底的玻璃。天线本身包含涂覆一层高导电薄铜层的 PFTE 块、介于完美电导体 (PEC) 底面和馈带之间的集总端口、以及短接至底面并与馈带相邻、用于实现阻抗匹配的另一个导电带。它还包括了一个阻抗匹配狭隙,用于将天线匹配至 50 Ω 的参考阻抗。

PIFA model geometry 优化 5G 网络及物联网的天线设计
移动设备中平面倒 F 天线的模型几何。

PEC 边界具有较低的下行频率范围,因此在仿真中被用于模拟天线。由于铜层具有很高的电导率,所以可忽略金属损耗。将 PIFA 作为一个由完美匹配层 (PML) 包覆的球形域进行模拟,PML 层负责吸收所有向外的辐射。集总端口的参考阻抗为 50 Ω,用于激励 PIFA 和计算输入阻抗。

借助仿真,我们可以计算 PIFA 的场分布图。结果显示了模型上方远离馈带的另一端的金属表面的场。这些测量实际上类似于四分之一波长单极子天线阵模型中的测量,PIFA 正是它的一种衍生设计。

Electric field of PIFA 优化 5G 网络及物联网的天线设计
PIFA 上部电场分布的结果图。

仿真还计算了极坐标格式的远场辐射模式。方位角的辐射模式不再是全向模式,因为我们已经最小化了天线,它目前仅位于底面的一个小角落中。

观察 S 参数发现电压驻波比 (VSWR) 小于 2:1,说明天线的输入阻抗与参考阻抗非常匹配,这也是网络分析员和其他常见测试系统中要进行的例行测量。

S parameters of PIFA 优化 5G 网络及物联网的天线设计
计算给定 AWS 下行频率范围内的 S 参数。

除了二维远场计算之外,您还能查看辐射模式的三维仿真,其中会显示最大辐射及空值。

Mobile Antenna 3D 优化 5G 网络及物联网的天线设计
PIFA 的三维远场辐射模式。

为了满足 5G 应用,在上面这个介绍性的模型基础之上,我们还需要进行更多的研究工作。如果需要处理更高的数据速率,工作频率应该增加至毫米范围,以便支持更宽的带宽。这将在发射端和接收端之间造成更高的路径损耗,因此天线应该能提供更高的增益来覆盖更远的距离。

但是从方位角来看,这将极大地降低覆盖范围,因为辐射模式会非常锐利。因此,需要相控阵天线来将辐射束引向所需方向,以便突破高增益天线中的角相关限制。

通过优化移动设备天线的设计与性能,当然也包括我们上面提到的那些方面,我们也许能先于预期开发出一个理想的物联网,也许很快就能享受这一新技术带来的各种便利。

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