优化5G网络及物联网的天线设计

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。

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：

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。

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。

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。

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。

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。