Вы отправляетесь на работу, дверь гаража закрывается и отсылает сообщение кофеварке в Вашем офисе о том, что пора начинать готовить кофе. В течение дня, система полива вашем участке получает прогноз погоды о том, что надвигается дождь и отменяет свою послеобеденную работу. Все это не зарисовки футуристического телешоу — это реальность технологии Интернет Вещей, которая с развитием следующего поколения технологий беспроводной коммуникации, 5G, войдет в каждый дом. Но сначала придется поработать над оптимизацией конструкции существующих антенн мобильных устройств.
Следующее Поколение Мобильных Технологий: Интернет Вещей и 5G
Множество технически подкованных потребителей уже задействовали частичную степень автоматизации в управлении своими жилищами, используя с этой целью мобильные приложения, например, для запуска посудомоечных машин или регулирования температуры дома. Относительно новая концепция, Интернет Вещей (Internet of Things) (IoT), также называемая «Промышленным Интернетом» или даже «Интернет Всего на Свете», выводит эти простые задачи автоматизации на качественно новый уровень, позволяя объектам обмениваться данными с подключенными устройствами.
В конечном итоге предполагается, что IoT будет развиваться от простой автоматизации жилых и коммерческих зданий к более интеллектуально продвинутым областям применения. В идеальном Интернете Вещей, мобильные устройства смогут накапливать и обрабатывать данные о наиболее посещаемых вами местах и известных ваших предпочтениях, и общаться с «умными устройствами» — при полном отсутствии какого-либо вмешательства с вашей стороны.
Диапазон разнообразных будущих приложений для Интернета вещей включает в себя:
- Медиа.
Притормозили у рекламного щита на автостраде или посмотрели рекламный ролик по телевизору, ваши устройства зафиксируют интерес к рекламируемому продукту и вам автоматически сообщат дополнительную информацию по нему.
- Транспорт.
Ваша машина не только может сама припарковаться, но и выбрать маршрут поездки и самостоятельно доехать. Подобно схожим усовершенствованиям для поездов и самолетов, это всего лишь несколько примеров того, с чем поможет справиться IoT по мере развития технологии.
- Здравоохранение.
Медицинские приборы автоматически введут необходимые лекарства и проследят за состоянием течения болезни пациентов, а также за их общим состоянием здоровья. Кардиостимуляторы, кардиомониторы и слуховые аппараты упрощают медицинскую помощь, наладив передачу информации между врачами и пациентами.
- Окружающая среда и энергосбережение.
Датчики оптимизируют потребление энергии, управляя включением осветительных и электронных приборов в соответствие с жизненной активностью человека. В более широком смысле, улучшенная технология IoT поможет контролировать качество воды и воздуха, а также решать другие экологические проблемы.
- Инфраструктура.
IoT датчики в целях обеспечения безопасности контролируют структурную целостность мостов, железных дорог, и системы утилизации отходов.
С распространением смартфонов в нашем обществе, Интернет Вещей является наиболее простым способом сбора и использования персональных данных для взаимодействия с объектами и смарт-устройствами. Однако, прежде чем скачок в реализации IoT станет возможным, необходимо развить следующее поколение технологий мобильных устройств для оптимизации смартфонов.
После того как 5G Заменит 4G LTE…
5G самое распространенное именование для следующего поколения технологий беспроводной связи, каждая новая версия которых выпускается примерно раз в десять лет. 5G на данный момент является просто концепцией, однако ожидается, что она будет реализована уже в ближайшем будущем — к 2020 году.
Большинство специалистов по беспроводной связи сходятся в том, что при замене 4G LTE на 5G необходимо решить следующие три ключевые проблемы:
- Уменьшение задержки до менее одной секунды.
- Увеличение скорости передачи данных до, по крайней мере, одного гигабита в секунду для десятков тысяч пользователей одновременно.
- Повышение энергоэффективности.
Любые усовершенствования в технологиях мобильных устройств, сборе данных и беспроводной связи должны рассматриваться через призму скорости и эффективности, прежде чем они будут интегрированы в 5G и IoT. Без этих составляющих, Интернет Вещей не только не сможет корректно функционировать, но и попросту будет бессмысленным.
Среди многочисленных разработок ученых всего мира уже работающих над технологиями для 5G, оптимизация антенн мобильных устройств является одной из главных тем для исследования. Хотя стандарт 5G приложений еще не утвержден, многие исследователи полным ходом разрабатывают различные устройства для расширения технологии IoT. Чтобы не оказаться на обочине прогресса, мы начнем с изучения основ модели, показывающей, как спроектировать компактную антенну для мобильного устройства, в нашем описании Моделирования Антенны Мобильного Устройства (Modeling of a Mobile Device Antenna tutorial).
Оптимизации Конструкции Антенны Мобильного Устройства
Антенна мобильного устройства должна быть достаточно компактной и легкой, чтобы разместиться в отведенном для нее пространстве в конструкции смартфона. Планарные F–образные антенны (рlanar inverted-F antenna — PIFA) являются хорошим выбором для мобильных устройств связи, поскольку они удовлетворяют требованиям по малогабаритности, мощности и эффективности. Эти антенны поддерживают многодиапазонный режим частот для подключения устройств сотовой связи, WiFi, и технологии Bluetooth®, — что делает их первоочередным кандидатом для IoT-совместимых объектов и устройств.
Антенна, моделируемая в данном примере, входит в состав 4G мобильного устройства и представляет собой конструкцию PIFA на PTFE-блоке (PTFE — политетрафторэтилен или фторопласт), смонтированную на плате FR4, в ABS-корпусе (Acrylonitrile butadiene styrene (ABS) — термопластик), и закрытую стеклом на композитной кремниевой подложке. Сама антенна состоит из PTFE-блока с нанесенным тонким медным слоем высокой проводимости, с сосредоточенным портом между идеально проводящим (perfect electric conductor — PEC) экраном и фидерным контактом (это для специалистов, а по-простому — питание антенны, по которому подается сигнал), а также, расположенный по соседству с фидером, закороченный на PEC-экран другой контакт, используемый для согласования импеданса. Для подстройки согласования антенны до эталонного значения 50 Ом, служит также конструкционно-предусмотренный зазор согласования импеданса.
Моделирование антенны можно выполнить с использованием PEC граничных условий для ее электродов из-за низкой рабочей частоты линии связи. Потерями в металле можно пренебречь из-за высокой проводимости медного слоя. Излучение PIFA моделируется в сферической области, окруженной оболочкой из идеально согласованного слоя (perfectly matched layer — PML), имитирующего условия излучения в бесконечном пространстве. Наличие граничных условий PML, гарантирует отсутствие отраженного потока энергии от границы воздушной области. Сосредоточенный порт с импедансом 50 Ом используется для возбуждения PIFA и оценки ее входного импеданса.
С помощью моделирования можно рассчитать и наглядно отобразить распределение поля для PIFA. Результаты показывают, что наиболее сильное поле локализовано в верхней части модели на одном из концов металлического электрода, удаленного от фидерного контакта. Эти результаты фактически напоминают данные для четвертьволновой монопольной антенны, конструкция которой является предшественником PIFA.
При моделировании также рассчитывается диаграмма направленности излучения в дальней зоне на полярной сетке координат. Миниатюризация габаритов антенны и смещение её местоположения к одному из углов проводящего экрана приводят к тому, что азимутальная диаграмма направленности более не является всенаправленной.
Рассчитав S-параметры можно заметить, что коэффициент стоячей волны по напряжению (voltage standing wave ratio — VSWR) имеет значение менее чем 2:1. Это означает, что входной импеданс антенны хорошо согласуется с эталонным импедансом, типичным результатом получаемым при использовании анализаторов сети и других измерительных систем.
Не останавливаясь на результатах 2D-вычислений в дальней зоне дифракции, вы также можете промоделировать 3D-диаграмму направленности для определения направлений максимальной величины излучения и «мертвых» зон антенны.
Возвращаясь к 5G-приложениям — имеется множество разработок, которые не могут быть рассмотрены в рамках простой вводной модели. Например, для достижения более высоких скоростей передачи данных, рабочая частота должна быть сдвинута в миллиметровой диапазон длин волн, в котором можно расширить полосу частот. Это приведет к росту потерь сигналов на пути между передатчиками и приемниками, а значит, антенны должны обеспечить большую мощность излучения для увеличения дальнодействия.
Однако, это значительно снизит угловой диапазон покрытия, поскольку диаграмма направленности станет слишком узкой. Следовательно, потребуются фазированные антенные решетки, которые позволяют обойти ограничение углового покрытия для остронаправленных антенн за счет сканирования излучением вблизи заданного направления.
Совершенствуя конструкцию и улучшая качество изготовления антенн мобильных устройств, в том числе только что упомянутые аспекты, приближают момент появления идеального Интернета Вещей. Не успеете и оглянуться как он появится и мы распахнем свои объятия для новой технологии.
Дополнительные Ресурсы
- Скачайте учебную модель: Моделирование Антенны Мобильного Устройства (Modeling of a Mobile Device Antenna)
#наука #физика #технологии #программы #численные методы #fem #comsol #5G