Эра 5G становится реальностью, принося с собой революционные возможности для мобильной связи. Пользователей ждут не только беспрецедентно высокие скорости передачи данных и минимальные задержки, но и принципиально новые сервисы. Это откроет дорогу для форматов вроде 360-градусного видео (прогнозируется, что к 2023 году на видеоконтент придется 73% всего мобильного трафика), а также для таких прорывных технологий, как беспилотный транспорт, интерактивная дополненная и виртуальная реальность, тактильный интернет. Сферы применения охватят промышленность, транспорт, здравоохранение, образование и индустрию развлечений.
Создание антенн для мобильных устройств всегда было нетривиальной инженерной задачей, а переход на стандарт 5G значительно повышает планку сложности. Ключевое внимание уделяется двум частотным диапазонам: Range 1 (частоты до 6 ГГц) и Range 2 (миллиметровые волны, или mmWave, выше 24 ГГц). Точные частотные планы могут различаться в зависимости от региона. Первые коммерческие смартфоны 5G были сосредоточены на поддержке диапазонов ниже 6 ГГц, и миллионы пользователей по всему миру уже оценили их преимущества. Изначально технология mmWave применялась для стационарного широкополосного доступа, но сейчас она активно интегрируется и в мобильные устройства, обещая гигабитные скорости.
Проблемы дизайна
Компьютерное моделирование является краеугольным камнем в проектировании современных антенн, особенно когда речь идет о компактных и настраиваемых решениях для смартфонов. Однако вызовы, стоящие перед инженерами в двух частотных диапазонах, принципиально различны.
Антенны диапазона Sub-6 ГГц
Главная сложность при проектировании антенн для диапазона ниже 6 ГГц — необходимость вписать их в крайне ограниченное пространство внутри корпуса смартфона, уже заполненного множеством других компонентов. При этом 5G не заменяет, а дополняет существующие стандарты связи: 4G (LTE), 3G и Wi-Fi. Это означает, что количество необходимых антенн в устройстве резко возрастает, особенно с учетом требований технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output), которая использует несколько антенн для повышения пропускной способности. Даже при использовании многодиапазонных антенн в одном телефоне может потребоваться разместить не менее полудесятка отдельных элементов.
Важно понимать, что антенна в смартфоне — не изолированный компонент. Она тесно взаимодействует со всей конструкцией устройства, возбуждая ее собственные резонансы. Эти резонансы сильно зависят от внутренней компоновки, материалов и даже расположения металлических элементов, которые могут меняться на этапе проектирования. Поэтому критически важно моделировать антенну не саму по себе, а в контексте полной 3D-модели телефона с высокой степенью детализации.
Точное позиционирование антенн внутри устройства и относительно друг друга — ключевой фактор их эффективности. Сдвиг всего на несколько миллиметров может кардинально изменить характеристики всей антенной системы. Инженерам-антенщикам необходимы гибкие инструменты и рабочие процессы, позволяющие быстро вносить изменения в модель в ответ на корректировки дизайна корпуса или компоновки платы. Оптимизированные алгоритмы расчета и эффективный обмен данными между командами становятся залогом успеха в сжатые сроки разработки нового устройства.
Антенны миллиметрового диапазона (mmWave)
Чтобы удовлетворить растущий спрос на мобильный трафик, технология mmWave становится необходимым дополнением к массивному MIMO в диапазоне Sub-6 ГГц. Небольшой физический размер антенн на частотах 28 ГГц и выше позволяет создавать компактные антенные решетки, интегрированные прямо в микросхемы. Такие решения, часто состоящие из четырех элементов, обеспечивают высокий коэффициент усиления и формирование управляемых лучей (beamforming), что критически важно для поддержания стабильного соединения при любом положении телефона в руке пользователя.
Основная проблема на миллиметровых волнах смещается от взаимодействия с корпусом телефона в целом к интеграции антенны под внешней панелью (чехлом). На таких высоких частотах даже тонкая стеклянная или пластиковая крышка перестает быть «электрически прозрачной» и начинает существенно влиять на диаграмму направленности антенны. Для решения этой задачи применяются подходы, заимствованные из аэрокосмической отрасли, например, проектирование обтекателей. Геометрию задней крышки можно оптимизировать так, чтобы она работала как линза, фокусируя сигнал. Даже для металлических корпусов существуют решения — в них интегрируют электромагнитные «окна» на основе частотно-селективных поверхностей (FSS), которые пропускают сигнал mmWave, блокируя при этом другие частоты. Это значительно улучшает характеристики сканирования и общую эффективность антенной системы.
Баланс производительности и безопасности
Безопасность пользователя — абсолютный приоритет для любого устройства, работающего в непосредственной близости от человека. Перед выходом на рынок продукт должен соответствовать строгим стандартам по воздействию электромагнитного излучения. Для диапазонов ниже 6 ГГц основным критерием является удельный коэффициент поглощения (SAR), который измеряет количество энергии, поглощаемой тканями тела. На миллиметровых волнах ситуация иная: большая часть энергии отражается от поверхности кожи, а проникающая часть рассеивается в очень тонком (около 3 мм) поверхностном слое. Поэтому для mmWave более релевантным показателем становится плотность потока мощности на определенном расстоянии от устройства. Точное моделирование взаимодействия антенны, корпуса телефона и модели человеческого тела (фантома) необходимо для гарантии соответствия всем нормам безопасности.
Заключение
Внедрение 5G кардинально меняет ландшафт мобильной связи. Высокопроизводительные и эффективные антенные системы лежат в основе этого перехода, обеспечивая быструю и надежную связь. Достижение оптимального баланса между максимальной производительностью и безусловной безопасностью пользователя требует комплексного подхода, включающего точное электромагнитное и тепловое моделирование антенн в реалистичных условиях эксплуатации.
Материал взят с сайта: https://blogs.3ds.com/
#simulia #cst studuio suite #antenna magus #5g #наука #наука и образование #наука и техника #наука и технологии #технологии
Еще по теме здесь: Новости науки и техники.
Источник: Дизайн антенны 5g для мобильных телефонов.