出門上班時，您車庫的門會自動關(guān)閉，同時它還會給您辦公室的咖啡機發(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)的真實寫照。不過，我們首先需要為此優(yōu)化現(xiàn)有移動設(shè)備中天線的性能。

下一代移動技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)和5G

技術(shù)達人們已經(jīng)在他們的家里實現(xiàn)了一定程度的自動化，比如使用手機App 來啟動洗碗機或調(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)將這些簡單的自動化工作又提升了一個等級，支持在對象和聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)交流。

最終，IoT 將能走出簡單的家庭和建筑物自動化，走進更多更高級的應(yīng)用領(lǐng)域。在一個理想的物聯(lián)網(wǎng)中，移動設(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“智能對象”通訊，期間不需要您進行任何輸入。

物聯(lián)網(wǎng)在將來的廣泛應(yīng)用會包括：

· 媒體

○ 開車經(jīng)過高速公路上的廣告牌或收看電視廣告時，設(shè)備會自動根據(jù)收集的數(shù)據(jù)判斷出您喜歡的廣告產(chǎn)品，這時，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平行停車，還可以自動導(dǎo)航和駕駛。隨著技術(shù)的進步，火車和飛機也將進行類似改進，這些只是IoT 幫助我們簡化出行的幾個簡單方面。

· 醫(yī)療保健

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

· 環(huán)境保護及能源節(jié)約

○ 傳感器會根據(jù)人員的活動開關(guān)照明和電子設(shè)備，減少能耗。在更大范圍內(nèi)，改進的IoT 還能負責(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。

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

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 還只是一個概念，預(yù)計將在2020 年正式推廣，因此移動行業(yè)需要在短時間內(nèi)完成大量工作。

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

1、延遲縮短到小于1 秒。
2、針對數(shù)萬并發(fā)用戶的數(shù)據(jù)速率可以提升到至少1 Gb/秒。
3、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，我們的主要目標(biāo)都是希望能通過提升速度和效率實現(xiàn)移動技術(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，對移動設(shè)備天線的優(yōu)化是一項重要研究課題。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介紹性的基本模型開始，即我們案例庫中的模擬移動設(shè)備天線教程模型，它介紹了如何設(shè)計移動設(shè)備中的一個小型天線。

優(yōu)化移動設(shè)備的天線設(shè)計

移動設(shè)備的天線必須足夠小、足夠輕，以便能放入手機設(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)實現(xiàn)多頻段覆蓋，因此也非常適合IoT 兼容對象與設(shè)備。

本教程中模擬的移動設(shè)備是一個4G 設(shè)備，其中包括一個安裝在PTFE 塊上的含F(xiàn)R4 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、用于實現(xiàn)阻抗匹配的另一個導(dǎo)電帶。它還包括了一個阻抗匹配狹隙，用于將天線匹配至50 Ω 的參考阻抗。

移動設(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 作為一個由完美匹配層(PML) 包覆的球形域進行模擬，PML 層負責(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PIFA 和計算輸入阻抗。

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

PIFA 上部電場分布的結(jié)果圖

仿真還計算了極坐標(biāo)格式的遠場輻射模式。方位角的輻射模式不再是全向模式，因為我們已經(jīng)最小化了天線，它目前僅位于底面的一個小角落中。

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試系統(tǒng)中要進行的例行測量。

計算給定AWS 下行頻率范圍內(nèi)的S 參數(shù)

除了二維遠場計算之外，您還能查看輻射模式的三維仿真，其中會顯示最大輻射及空值。

PIFA 的三維遠場輻射模式

為了滿足5G 應(yīng)用，在上面這個介紹性的模型基礎(chǔ)之上，我們還需要進行更多的研究工作。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的距離。

但是從方位角來看，這將極大地降低覆蓋范圍，因為輻射模式會非常銳利。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)化移動設(shè)備天線的設(shè)計與性能，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。