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請設想一下“理想”中的無線網絡:每當拿起通訊設備時,都可以獲得極佳的網絡信號品質和超高的數據下載速度,無論我們身在何處,都可以與世界上任何一個位置緊密地聯繫在一起。這樣一個理想的無線網絡,最重要的是一定要可靠——不會造成通話中斷、信息無法送達及網頁打開延遲。為了滿足5G 這一理想網絡的特殊性能要求,工程師們正在考慮通過特定的射頻設計,將這種技術變成現實。

理想的無線網絡:5G及未來

5G 無線網絡預計在2020 年可實現使用,它將超越4G LTE、4G、3G、及以前的所有網絡。每十年都會誕生新一代的無線網絡,並在其後的四年之內被推向市場。目前,我們需要持續開發相應的技術讓5G 可供消費者使用。理想的無線網絡正在不斷完善中,這些用來描述5G 的預期進展同樣適用於未來更新的無線網絡技術。

您可能會在一天之內會多次使用您的智能手機。皮尤研究中心 (Pew Research Center)的最新調查數據顯示,64%的美國人擁有某種類型的智能手機,其中大約三分之二的智能手機用戶會使用手機上網。事實上,數據進一步表明,年輕的智能設備用戶使用手機發送手機短信和訪問互聯網的次數,比接打電話這種傳統使用方式更加頻繁。在2015年4月發布的一項調查中,18~29歲的用戶中有97%曾使用手機上網,而93%的用戶使用手機打過電話。調查結果標誌著手機的主要用途發生了轉變,這一現象激發了對可承載更多數據量且不會造成擁堵的移動通信高速公路的迫切需求。

Mobile internet browsing 促進5G 移動網絡的發展
智能手機用戶使用手機瀏覽網頁,上網處理日常事務,例如查詢公交線路和時刻表。曼哈頓發車時刻表照片由紐約大都會運輸署(Metropolitan Transportation Authority of the State of New York)拍攝。已獲CC BY 2.0許可,通過Wikimedia Commons共享。

移動通信行業的領導者們認同了一系列使5G 網絡符合新一代移動通信的特殊要求。如上所述,移動數據的高使用率推動了對無延遲的超高下載速度的需求。您可能認為目前的下載速度已經非常快了,但對5G 無線網絡來說,下載過程必須接近於瞬間內完成。由於數據需求量的增長,也應當使5G 信號通信量最小化,以緩解移動用戶數量持續增長的沉重負擔。此外,理想的無線網絡應隨時隨地提供可靠的服務。這意味著您可以在偏遠地區或無人區享受到快速流暢的服務,而並不僅限於城市和近郊,這便是與4G 和4G LTE 的不同之處。

5G 兼容設備本身的成本及能耗相對較低,這樣就可以使電池使用時間較當前設備大幅延長。您給手機充電的方式可能也會發生改變。一些智能手機已經實現了無需電源線進行充電的功能——電源被安置在基座上,通過電磁感應原理實現基座與手機之間的無線能量傳輸。人們正在探索更多先進的充電方式,例如遠距離無線電力傳輸。在這種情況下,電源基座可以在特定距離內通過小信號的傳輸對設備進行充電。您無需再將手機插入牆內,甚至無需將它插到充電板上。取而代之的是,您可以在口袋裡快速對手機進行充電。某些5G 技術就集成了這些優勢。

Wireless charging station 促進5G 移動網絡的發展
無線充電站可對移動設備進行充電。圖像由Powermat Technologies公司的Veredai自行拍攝。已獲CC BY-SA 3.0許可,通過 Wikimedia Commons共享。

5G必須能促進已聯網的物聯網(IoT)設備之間的通信。據相關人士預測,到2020年,我們將實現5G技術,那時全世界將有250億台已聯網的設備。5G需要有能力處理已聯網的智能設備及全球眾多手機用戶在網絡上形成的巨大數據流量。除了數據傳輸的問題,5G也必須以足夠快的速度分析來自物聯網設備的數據,以便更好地服務消費者。

工程師在5G 設計方面的考慮

一名致力於發展5G 網絡的工程師,需要考慮多方面的設計因素。COMSOL Multiphysics ®的射頻功能可以對這種新興技術進行闡釋。

提高網絡頻譜

目前,我們的無線網絡無法處理我們下載的數據量——至少無法以理想的速度進行下載。為了達到5G 要求的數據下載速度,無線網絡需要在更寬的頻率範圍內工作。目前的無線網絡頻譜約為1 GHz 到3 GHz。5G 的最低工作頻譜不僅要達到6 GHz 以上,還必須能夠處理高達100 GHz 的跨度。

對於5G 來說,移動通信網絡的工作頻率需要在30 GHz 左右,這意味著此範圍是5G 的主要工作頻率。高達100 GHz 的頻率需求應對的是更大的冗餘需求,例如在一些密集區域,往往需要額外容量的系統以及更大的帶寬。如果您曾嘗試在音樂會或觀看體育賽事時與現場的數千人一起同時使用手機訪問互聯網,就會認識到這一需求的重要性。這樣的補充頻率範圍有助於應對遭受自然災害地區激增的網絡使用率,因為災後會有很多人嘗試與他們關心的人進行聯繫以互道平安;同時,5G 還能為更多之前從未有過良好移動網絡服務的偏遠地區提供額外的“推送”服務。

雙工器,5G移動系統中使用的組件之一,有助於改善這一問題。為達到移動網絡所需的較寬範圍,雙工器被設計為可將信號分成兩個不同的頻率範圍。在雙工器中,低頻被用來“聽”(接收)信號,而高頻用來“說”(發送)信號。利用仿真這一簡單方式對雙工器設計的不同迭代進行測試,可幫助確定其最佳設置。我們可以通過仿真方法計算出波導雙工器的S-參數和電場,然後對其進行研究,進而驗證我們的設計在5G移動網絡下是否運行良好。

Waveguide Diplexer at 28 GHz 促進5G 移動網絡的發展
Waveguide Diplexer at 30.4 GHz 促進5G 移動網絡的發展

模擬波導雙工器。

在如上圖所示的WR-28波導雙工器模型(用於Ka波段應用)中,下部和上部的帶通分別被設置為28 GHz(左圖)和30.4 GHz(右圖)。仿真結果表明每個帶通的輸入功率未與其他帶通進行耦合,彼此獨立分佈。

開發能提供更高頻率的天線

另一種實現5G 技術發展的方法就是在新的移動設備中增加天線增益。這雖不會增加手機信號的大小,但可以增大手機與信號塔之間的信號傳輸距離。如果回想過去使用的原始手機,您需要拉出天線才能撥打電話,這種設備的電路就充當了四分之一長度的單極天線。這些天線在所有方位的增益相同,意味著在H-平面內電磁波傳播具有各向同性,因此信號同樣均勻地向各個方向傳播,這使得用戶無論位於任何方位,信號都能更加可靠地到達信號塔。

PIFA antenna for smartphone 促進5G 移動網絡的發展
移動設備中的平面倒置型F 天線(planar inverted-F antenna,簡稱PIFA)的三維遠場輻射模式。

隨著手機在功能和設計上的不斷發展,天線尺寸逐漸趨於小型化並被植入到機身內部,因而使理想的各向同性輻射模式發生了變形。隨著3G、4G 和4G LTE 的發展,移動通信技術不斷進步,手機開始使用小型化的多頻天線替代四分之一長度的單極天線。

目前一個在通信中眾所周知的問題就是,在某些區域使用手機時會出現時斷時續或掉線的情況。在某些情況下,當您分別站在同一個房間的不同位置時,無線網絡的信號就會產生差異。我的同事Jiyoun Munn參與了射頻模塊的開發,他解釋了這種情況經常發生的原因:“當您通過手機進行通話時,通常並不明確與您手機進行信號傳輸的信號塔位於何方。同時,信號在室內傳播時的多徑衰減效應也加劇了這種情況。”

5G 網絡要求更高的頻率。正如Jiyoun 所言:“由於較高頻率在空氣中的衰減比電磁波傳播更加嚴重,所有需要增加天線增益以到達更遠的傳輸距離。天線增益越高意味著輻射模式的方向性越強。因此,天線的可見性或覆蓋角將會非常小。”正因為如此,手機只能在非常有限的範圍內與基站相連接。

Antenna gain 促進5G 移動網絡的發展
四分之一長度的單極天線(上圖)的傳播具有各向同性,工作頻率較低;而相控陣天線(下圖)使用更大增益對信號塔發出的信號進行掃描,其工作頻率較高。

改進相位進展技術

為了克服高增益天線覆蓋角的缺陷,可以使用有源電子掃描陣列(active electronically scanned array,簡稱AESA,也被稱為相控陣),它可通過控制相關的相位及對輸入信號進行分級來形成輻射模式,同時引導天線陣列發出的波束。“位於天線陣列中的每個天線單元的算術相位級數可改變最大輻射方向。”Jiyoun說道,“最大輻射方向垂直於等相平面,因此輻射模式與和相位有關的較快的天線單元的方向相傾斜。”這是相控陣的基本思想,可以引導波束射向所需方向。

Monopole antenna array 促進5G 移動網絡的發展
單極天線陣列的遠場輻射模式。

相控陣天線是可應用於5G 技術的最佳天線,它可被用來創建微帶貼片天線,貼片天線是由一簇普通天線製作而成的。通過對每個陣列單元的相位級數及權重因數加以利用,便可以優化5G 網絡的覆蓋角和增益。借助仿真,我們可以評估相控陣天線的5G 設計性能。計算機仿真簡化了遠場輻射模式的計算,並可對各種輸入參數進行全面遠場分析。

Phased array antenna 促進5G 移動網絡的發展
“8×8”相控陣天線的仿真結果。

縫耦合微帶貼片天線陣列合成器演示App擁有簡明的用戶界面,可以用來快速測試5G天線設計的開發腳本是否合理。即使是在偏遠地區,也可以通過使用網頁瀏覽器打開和運行App。“借助此仿真App,”Jiyoun說,“設計工程師可以核對天線的漸近解,他們還可以和團隊裡的其他同事共享這個App,以便合作創建出性能最佳的設備。”由於這一仿真App界面直觀,且專為特定用途而設計,這使得您可在90秒內對自己設計的天線進行測試和重新測試,而不需要花費兩天時間進行完整的計算機仿真。開發仿真App是進行此類分析的一種有效且簡單的方法。

Slot Coupled Microstrip Patch Antenna Array Synthesizer UI 促進5G 移動網絡的發展
“縫耦合微帶貼片天線陣列合成器”仿真App。

5G 技術帶來的重大影響

隨著5G時代的到來,我們將會發現我們的房間變成了一個以技術為基礎的小社會。物聯網,還有如萬聯網(Internet of Everything)和工業互聯網(Industrial Internet)的其他別稱,這些稱謂都是用於描述智能設備和信息共享的新時代的術語。物聯網的普及是因為幾乎每個行業都能以某種形式受益於物聯網技術。

家庭自動化和可穿戴設備(例如健康追踪設備和智能手錶)就是物聯網技術的流行應用,它們可用於追踪用戶的活動和身體數據,並在與智能手機上的App 相連接後對這些數據進行分析,進而轉化為對用戶在家庭或日常生活中有用的信息。隨著5G 網絡的不斷發展,更多物聯網技術的新穎應用將成為現實。在醫療保健行業,物聯網設備可基於患者的統計數據及活動情況自動分配藥品和進行監測。在媒體領域,智能設備可追踪用戶的娛樂和購物偏好,以自動推薦相關產品信息。

Fitness tracker 促進5G 移動網絡的發展
健康追踪手環,消費者使用物聯網技術的一個例子。

這些智能設備可對體溫、步數、環境狀況及其他各種因素進行收集和分析,對設備的整體系統的進一步分析提供有用信息。物聯網系統在獲取分析信息後,“告訴”單個或多個智能對像用這些信息來做些什麼(例如打開或關閉設備、發送信息、分散藥物等)以完成整個週期。

通過對此類智能設備之間的射頻干擾的研究,我們可以創建性能最佳的物聯網。大力促進5G 網絡的發展,我們就可以對智能設備之間的通信進行優化,使其更為高效,並且可以突破物聯網中的不同應用間的通信限制。借助改進的5G 網絡,物聯網將會發揮最大潛能,並可在幾年內使其在全球範圍內成為現實。

關於優化5G 網絡的射頻設計思路的總結

離5G 網絡時代的來臨只有幾年時間了。借助射頻應用(例如天線增益、頻率範圍及更詳盡的波束級數),我們可以確定,到2020 年所有人都可以使用到5G 技術。借助計算機仿真和仿真App 的力量,我們可以確信我們有能力創造一個擁有超高傳輸速度和超可靠信號的全球通信的新時代。從現在開始大力發展5G 技術吧——讓我們的世界連接得更加緊密!