Связь между двумя удаленными точками является постоянной проблемой для человечества, начиная с древних дымовых сигналов и заканчивая телеграфом и беспроводной связью через электромагнитные сигналы.
Эволюция в технологиях представляет собой постоянные усилия, направленные на повышение качества и эффективности дистанционной связи с использованием постоянно меняющихся методов для улучшения передачи контента, начиная с передачи голоса и заканчивая данными.
Беспроводные портативные устройства являются наиболее репрезентативной парадигмой этих усилий. В этой связи важная роль отводится разработке низкочастотных, малых и много диапазонных антенн, а также антенных систем, способных удовлетворить жесткие требования, предъявляемые к возникающим многофункциональным беспроводным устройствам.
Кроме того, сложность конструкции портативных антенн постоянно возрастает не только в силу требований рынка, но и в связи с необходимостью соблюдения правил безопасности, которые требуют эффективных антенн, способных излучать как можно больше энергии в условиях свободного пространства, при этом сводя к минимуму мощность, излучаемую в направлении головы человека.
Моделирование антенн в портативных устройствах с использованием нового материала для электромагнитного моделирования значительно улучшило ситуацию, позволив моделировать поведение антенны в сложных условиях окружающей среды. Антенны можно моделировать не только с точки зрения воздействия на человека, но и присутствия близлежащих компонентов (таких как камеры, батареи, дисплеи и динамики). В то же время последние достижения в области измерительных систем и методологий стали актуальными для антенного измерительного сообщества в связи с необходимостью фиксирования характеристик излучения в новых антенных системах LTE и MIMO.
Развитие портативных мобильных телефонов.
Эволюция портативных мобильных телефонов на протяжении всей истории была захватывающей. Первый телефонный звонок с использованием портативного устройства был сделан в 1970-х годах. С 1980-х годов карманные телефоны стали товаром для всех, и с тех пор мобильный рынок не перестает расширяться. Экспоненциальное увеличение числа абонентов подталкивает исследования и разработки в области беспроводной связи к созданию технологий, способных обеспечить такой рост, также включая переход от аналоговой к цифровой и от одной полосы частот к нескольким полосам частот.
Это постоянное развитие, которое привело к недавнему внедрению на потребительском рынке радиостанций последнего поколения - технологии Long-Term Evolution (LTE). Операторы потребительских беспроводных портативных устройств недавно приступили к внедрению беспроводной технологии LTE для смартфонов нового поколения.
Беспроводное мобильное поколение.
Технология беспроводной связи первого поколения (1G) была внедрена еще в начале 1980-х годов. Использовался аналоговый стандарт. Несколько коммерческих стандартов 1G включали NMT (Nordic Mobile Telephone) и AMPS (Advanced Mobile Phone System).
Сеть НМТ впервые использовала частотный диапазон в 450 МГц, называемый NMT-450. Благодаря спросу абонентов, компания расширила свою сеть до 900 МГц (NMT900), так как она могла нести больше каналов в этом диапазоне частот, чем в предыдущем диапазоне.
Стандарт AMPS, используемый в Соединенных Штатах, был развернут в 800 МГц в области частот. В 1990-х годах началось создание радиостанций последующих поколений, например, 2G, 3G и 4G.
Новые поколения радикально отличались друг от друга в том смысле, что все они использовали цифровые стандарты, тогда замена аналоговых стандартов на цифровые давала много преимуществ. Одно из преимуществ заключается в том, что цифровые стандарты могут охватывать большее число пользователей, что было актуально. Несмотря на то, что стандарты 2G, такие как GSM, D-AMPS и CDMAOne, были заменены новыми поколениями, они все еще остаются широко используемыми сетями во всех частях мира.
Сеть третьего поколения (3G) появилась на рынке в начале 2000 года, а самая последняя сеть LTE была предложена в 2010 году. Более поздние стандарты были адаптированы для улучшения качества услуг по передаче данных.
Увеличение числа частотных диапазонов.
Стандарты беспроводной связи иногда поставляются с новым набором частотных диапазонов. К счастью, некоторые полосы частот более новых поколений перекрывают полосы частот предыдущих поколений, что освобождает некоторые нагрузки на конструкцию антенны при появлении стандарта нового поколения.
Оглядываясь назад от первого поколения к нынешнему, можно сказать, что число полос частот продолжало увеличиваться. Антенны для карманных устройств первого поколения были разработаны еще в 1980-х годах для работы в одном частотном диапазоне. С увеличением числа частотных диапазонов с появлением новых поколений возникла необходимость в разработке многополосных антенн.
Кроме того, по мере роста популярности рынка мобильной связи и повышения доступности глобальных путешествий для населения в целом возникла необходимость в создании устройств с роуминговыми возможностями. Это необходимо для того, чтобы абоненты одного региона рынка могли использовать одно и то же устройство в других регионах со схожими стандартами, но разными диапазонами рабочих частот.
В качестве примера современных мобильных устройств в США можно привести телефон, работающий в Северной Америке, с основными диапазонами частот от 824 МГц до 894 МГц и от 1850 МГц до 1990 МГц для стандартов GSM (2G) и UMTS (3G). Кроме того, теперь для стандартов LTE в диапазоне 700 МГц требуется дополнительная полоса частот.
Телефон, как правило, имеет возможность роуминга в рабочих диапазонах, используемых в других странах мира, а именно GSM 900, GSM 1800, UMTS B I и B VIII. Частотный диапазон покрытия этих роуминговых полос составляет от 880 МГц до 960 МГц (GSM 900 и UMTS B VIII), от 1710 МГц до 1880 МГц (GSM 1800) и от 1920 МГц до 2170 МГц. В связи с этим возникает необходимость в разработке много диапазонных антенн, которые могут работать в этих диапазонах с хорошими эксплуатационными характеристиками.
Промышленное проектирование
Для некоторых людей мобильная телефонная трубка - это устройство, служащее лишь средством связи, и им все равно, большой он или маленький, тонкий или толстый, блестящий или матовый. Для некоторых других людей промышленный дизайн является важным фактором, когда речь заходит об использовании бытовой электроники внешний вид и ощущения от телефона являются важными факторами при принятии решения о покупке.
До начала 2000-х годов антенны в мобильных телефонах проектировались снаружи. Антенны были в основном монопольного типа, убирающиеся или нет, или спиральные антенны выступающие из верхней части телефонов. Промышленный дизайн не имел большого влияния и не налагал больших ограничений на проектирование антенн.
В начале 2000-х годов дизайн антенны для мобильных телефонов полностью изменил свой курс, и следующим этапом развития дизайна стал внутренний дизайн, который был очень привлекательным с точки зрения промышленного дизайна. Тем не менее, новые проблемы с проектированием стали преследовать инженеров из многих дисциплин, включая радиочастотную связь, аудиотехнику и, конечно же, инженеров антенн.
Как и ожидалось, интеграция антенн внутри телефона создавала помехи и проблемы со шумами, которые необходимо было контролировать. Кроме того, конструкция антенны в настоящее время ограничена формой телефона. Тем не менее, эти проблемы были преодолены с помощью новых технологий и фантастического творческого мышления инженеров антенн.
