`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Антенны для мобильных применений: итоги будущего

Статья опубликована в №13 (724) от 13 апреля

+11
голос

Если в современной мобильной технике антенна скрыта от глаз пользователя, то это отнюдь не означает, что ее вовсе нет. Напротив, с небольшим упрощением, все современное мобильное общение человечества заключено между приемной и передающей антеннами, и именно от них зависит результирующая эффективность взаимодействия устройств в радиосети. Какова проблематика дальнейшей микроминиатюризации антенн в мобильных устройствах и какие теории могут помочь их совершенствованию?

Антенны для мобильных применений итоги будущего
Рис. 1. Построение кривой Коха 1–4 итерации. Эффект миниатюризации антенн существенно проявляется лишь при первых 5–6 итерациях данного фрактала

Для встраиваемых в мобильные устройства микроминиатюрных антенн перечень требований для их реализации в «железе» весьма противоречив. Различные функциональные характеристики, в числе которых эффективность излучения, широкополосность, диапазонность (только для 3G в Украине используются три технологии, работающие в разных частотных диапазонах: CDMA EVDO 450 МГц, CDMA EVDO 800 МГц и HSDPA 2100 МГц) и оптимальная для специфики условий эксплуатации форма диаграммы направленности (ДНА) – вот далеко не полный список взаимозависимых параметров.

Велико их влияние и на энергоэффективность мобильного устройства в целом. Ведь неоптимальные характеристики приема/передачи способны свести на нет все усилия чипмейкеров по уменьшению потребления полупроводниковыми компонентами. А коль снижение плотности потока энергии излучения обратно пропорционально квадрату расстояния от антенны, то потери можно компенсировать лишь таким же увеличением генерируемой (отнюдь не со 100%-ным КПД) мощности.

Разумеется, со стороны рынка к антеннам как к элементу конструкции одновременно предъявляются жесткие требования по снижению себестоимости. Одной из наиболее актуальных задач дальнейшего развития современных мобильных устройств стало уменьшение габаритов их антенн вплоть до возможности интеграции в одном корпусе с системами на кристалле (SoC). Столь многообещающие около двух десятилетий назад классические технологии микрополосковых антенн с точки зрения сокращения размеров при сохранении их эффективности ныне достигли своих пределов. Поэтому в последнее десятилетие поиск нетрадиционных подходов к реализации микроволновой техники существенно активизировался. Тут и выяснилось, что в теории микроантенн как области знаний достаточно прорех, отсутствуют понимание ряда важнейших процессов, необходимые математические модели (методы конструирования и технология изготовления низкочастотных полноразмерных антенн не могут быть перенесены на схемы СВЧ-диапазона), а многие «научные прорывы» носят сугубо технологический характер.

Электрически малые антенны – где предел?

Прежде всего предстояло ответить на главный вопрос: каков разумный предел минимизации габаритов антенн? Установить его пытались еще в 40-е годы прошлого века, когда возникла потребность в миниатюрных бортовых антеннах для реактивной авиационной и ракетной космической техники. Путь, пройденный теоретиками и разработчиками в понимании предельных ограничений реализации эффективных антенных решений, достаточно интересен, чтобы на нем остановиться подробнее.

Антенны для мобильных применений итоги будущего
Рис. 2. Несколько таких коммутируемых «рамок Минковского», размещенных по стенкам корпуса мобильного устройства согласно патенту Коэна, обеспечат максимум в направлении источника излучения

Под электрически малыми (или ELS, electrically small) антеннами принято подразумевать такие, размеры которых значительно меньше половины длины волны принимаемых/излучаемых ими электромагнитных колебаний. Ряд особенностей этого класса устройств требовал решения множества серьезных проблем на этапе конструирования. Одна из них заключалась в том, что с уменьшением размеров антенной системы быстро падает ее КПД и возникают трудности согласования ELS с источниками либо приемниками сигналов в нерезонансных режимах (известно, что оборотная сторона снижения добротности – увеличение широкополосности).

Поле излучения элементарного вибратора можно разбить на три зоны: ближнюю, промежуточную и дальнюю, наиболее интересную для практики. В ней электрическое и магнитное поля изменяются синфазно во времени, а их форма представляет собой сферы с общим центром в точке расположения вибратора. Поле в зоне индукции служит для формирования бегущих составляющих полей (электромагнитной волны), ответственных за излучение.

Один из отцов теории Гарольд Вилер (Harold Wheeler), впервые связавший между собой в 1947 г. определение электрически малой приемной антенны с ее максимальным размером, а также развивший эти идеи Чу (Chu) доказали, что предельная добротность антенн по мере перехода к ELS резко возрастает (соответственно, полоса рабочих частот сужается). Для упрощения ее количественной оценки было введено понятие «радианной сферы» (с диаметром, позволяющим вписать в нее ELS), прочно прижившееся в теории. Ограничиваемую ею поверхность обычно трактуют как условную границу между ближним и дальним полями, формируемыми передающей ELS. В расчеты было также заложено допущение о сферичности фронта излучаемых волн, что затрудняло применение правила взаимности излучающей и приемной антенн (ведь в последнем случае волна, приходящая на ELS от значительно удаленного излучателя, почти плоская).

Данный класс антенн в исследованиях, и особенно в практической реализации, весьма сложно представляется как совокупность примитивов – электрических и магнитных элементарных излучателей. Тем не менее начальные исследования базировались на привычной для классической теории методике аппроксимации антенн эквивалентными RL- и RC-цепями.

Антенны для мобильных применений итоги будущего
Рис. 3. Пока этот стакан с гипотетической жидкостью – не более чем эксплуатация хорошо известного в быту принципа лучепреломления. Однако обращение фазовой скорости электромагнитного излучения, смена знака доплеровского сдвига на противоположный и многие другие необычные свойства материалов с отрицательным коэффициентом преломления уже подтверждены практикой

Некоторые упрощения, положенные в основу данных работ, привели к появлению весьма пессимистического предела дальнейшей миниатюризации электрически малых антенн, однако даже его достижение в то время было проблематичным. Так, реализация Джонсоном Вангом (Johnson Wang) сверхширокополосной спиральной печатной антенны по своей запатентованной схеме заставила усомниться в справедливости формул для граничных пределов добротности ELS. Происходящему на этом этапе развития практики построения антенн не хватило теории, а последней – фундаментальности. И лишь по мере совершенствования прикладных исследований и накопления опыта в проектировании антенн (включая их численное компьютерное моделирование и прогресс в достижении высоких параметров при массовом изготовлении) стали окончательно видны расхождения между первоначальной базовой теорией и возможностями реализации ELS в железе.

В 1970-х годах появился метод расчета минимума добротности Q и других параметров ELS, не требующий применения эквивалентных электрических цепей, а базирующийся на оценке максимальной мощности как суммы реактивных энергий электрической и магнитной составляющих.

На службе MEMS и фракталы

Появление в начале века разработок в области MEMS-технологии для конструирования СВЧ-устройств со временем обещало создание встраиваемых в кристалл коммутаторов сигналов с нулевым потреблением в состоянии покоя и мощностью переключения на уровне единиц нДж при напряжении срабатывания в несколько вольт для коммутации и перестройки элементов антенн. Наличие этого и ряда других СВЧ-устройств обеспечило бы разработчиков компонентами, которых они так долго ожидали для реализации новых и простых, но в то же время чрезвычайно функциональных реконфигурируемых систем и антенн. Однако этот этап пока внес сравнительно небольшой вклад в развитие технологий антенн, хотя и дал хороший толчок появлению высокодобротных прецизионных катушек индуктивности, конденсаторов, высокостабильных генераторов, а также высококачественных фильтров, работающих в частотном диапазоне от десятков МГц до единиц ГГц.

Неудивительно, что теория антенн во времена всеобщего фрактального бума также оказалась вовлеченной в него. Разумеется, тут не обошлось без своих легенд. Одна из них связана с именем американского инженера Натана Коэна (Nathan Cohen), в дальнейшем сотрудника компании Fractal Antenna Systems. Проживая в центре Бостона, чтобы обойти запрет городских властей на установку наружных антенн, он решил замаскировать антенну любительской радиостанции под декоративную фигуру из алюминиевой фольги. Кстати, за ее основу была взята фигура, описанная еще в начале XX века и известная по имени своего исследователя как «фрактал Коха» (рис. 1).

Антенны для мобильных применений итоги будущего
Рис. 4. Эту планарную структуру, собираемую в куб, высотой от 3 до 20 таких слоев в традиционном смысле сложно назвать материалом, поскольку она состоит из отдельных макроскопических объектов. Но с точки зрения микроволн среда однородна, а последовательно уменьшая размеры элементов, можно создавать метаматериалы с отрицательным показателем преломления для терагерцевого и оптического диапазонов спектра

Однако если следовать цели Коэна, можно предположить, что потенциал теории фракталов был им использован не в полной мере. Еще лучше дезинформировать муниципалитет помогли бы так называемые древовидные диполи, получаемые из классического монополя последовательным разбиением его вершин на две ветви под заданным углом (от 30° до 60°). Полная электрическая длина такой антенны может быть определена как самое короткое расстояние от ядра фрактала к концу любой его свободной ветви. Каждая новая итерация увеличивает количество проводящих путей на краях данной низкоомной антенны и при неизменной высоте дерева понижает резонансную частоту и позволяет добиться приемлемых широкополосности и эффективности. Диаграмма направленности древовидного диполя в дальней зоне очень близка к ДНА его базового «собрата» – прямого диполя. Так что воспользуйся Коэн трехмерным вариантом такой антенны, внешне она вполне сошла бы за некое футуристичекое дерево.

Фрактальный подход дает возможность плотнее (по сравнению с элементарными излучателями при той же величине их взаимного влияния) размещать антенные элементы. Печатная фрактальная антенна в зависимости от ее толщины и диэлектрической постоянной подложки может излучать поверхностные волны, что при соответствующем подходе также можно использовать для снижения уровня излучения в направлении головы говорящего.

Несколько переключаемых «петель Минковского» (в основу их расчета заложена магнитная рамка, а не элементарный вибратор), по мнению того же Коэна, могут располагаться в корпусе мобильного устройства, обеспечивая максимум в направлении источника излучения (рис. 2).

В общем же, «увлечение фракталами» в теории антенн сыграло продуктивную роль и обогатило ее математическим аппаратом описания формы излучателей, позволив упростить и уточнить моделирование свойств антенных систем при их проектировании и несколько снизить габариты. Благодаря развитию теории фрактальных антенн серьезное продвижение наметилось и в реализации проектов создания систем на одном чипе (SoC) с интеграцией на кристалл либо корпус процессора обработки компактных антенных излучателей.

Одним из негативных «бытовых» проявлений, в некотором роде «родимым пятном» этого периода, стало появление в продаже чарующих изяществом своих форм всевозможных «усилителей связи» (либо наоборот, «поглотителей опасного излучения») в виде наклеек на корпус сотового телефона, якобы позволяющих едва ли не преодолеть закон сохранения энергии. На самом деле «универсальность» свойств, «нетребовательность» при инсталляции к специфическим для данного диапазона частот миллиметровым и выше точностям по отношению к штатной встроенной антенне и «высокая эффективность» подобных дополнений не только не обнаруживаются на практике, но и достаточно легко развенчиваются компьютерным моделированием.

Новый фаворит в теории антенн – метаматериалы

Выражение Макса Планка о том, что «научная теория побеждает, когда вымирают представители старой науки», уместно и по отношению к новому этапу развития электрически малых антенн – использованию метаматериалов.

Антенны для мобильных применений итоги будущего
Рис. 5. Еще одно конструктивное направление развития микроантенн – использование оболочки из метаматериала в качестве «купола» для штыревого микроизлучателя

Сам термин «метаматериалы» в приложении к предмету нашего краткого экскурса следует понимать как структуры, эффективные электромагнитные свойства которых выходят за пределы свойств образующих их компонентов. Историю о появлении этого направления можно начать с исследований уроженца Украины Виктора Веселаго, еще в 60-х годах прошлого века выдвинувшего гипотезу о существовании материалов с отрицательным показателем преломления. В природе они почти (что касается оптического диапазона – то и вовсе) не встречаются, и это предположение несколько десятилетий оставалось неподтвержденным (рис. 3). Веселаго рассмотрел и другие интересные и необычные для восприятия свойства метаматериалов, в частности обратный эффект Доплера, фокусирующие плоскопараллельные пластины (линзы Веселовского).

В середине 1990-х ученые из технологического Центра Маркони в Англии занялись созданием метаматериалов, состоящих из микроскопических элементов и преломляющих электромагнитные волны совсем не так, как любые другие известные нам вещества. Например, куб метаматериала представляет собой трехмерную матрицу, образованную медными проводниками и кольцами с разрезом. Стержни, по сути, служат антеннами, взаимодействующими с электрическим компонентом электромагнитного поля, а разрезные кольца – реагирующими на магнитную составляющую. Основные размеры всех элементов и расстояние между ними были меньше длины волны. Микроволны с частотами около 10 ГГц необычно ведут себя в таком кубе с шагом решетки 2,68 мм, потому что для них эта среда имеет отрицательный показатель преломления (рис. 4).

Метаматериалы могут применяться в качестве подложек для печатных миниатюризированных антенн, способствуя снижению размеров излучателей, увеличению их полосы пропускания и эффективности излучения. Причем их структура может быть как однородной, так и композитной, образованной из нескольких типов сред с различными свойствами. Подбирая их размеры и соотношения, можно регулировать резонансную частоту печатной антенны.

Одним из первых примеров использования свойств метаматериалов в серийном изделии стало их применение той же Rayspan в антенной системе MIMO в серийных точках доступа 11n Netgear WNR3500 и WNDR3300. Метаструктуры позволили заметно уменьшить габариты многослойных излучателей антенной решетки MIMO, что снизило их (излучателей) взаимное влияние. Электрическая длина печатной метаантенны может быть уменьшена до десятой от длины волны, что меньше известного ограничения в ее половину. При этом точка работает в обоих частотных диапазонах (2,5 ГГц и 5 ГГц).

Другое конструктивное направление развития микроантенн – использование оболочки из метаматериала в качестве «купола» для штыревого микроизлучателя. С помощью подобной ELS можно преодолеть вышеупомянутый предел Чу более чем в 1,5 раза. Минимальная добротность характеризуется отношением запасенной электромагнитной энергии внутри окружающей антенну радианной сферы к излучаемой за ее пределы мощности. На резонансной частоте от такой конструкции удается добиться активного сопротивления порядка стандартных 50 Ом и почти нулевого реактивного при КПД около 98–99%! (рис. 5).

Эти примеры позволяют спрогнозировать появление антенных конструкций на основе активных и нелинейных метаструктур, теория и технологии которых еще находятся в стадии разработки, а также надеяться, что будущие микроантенны значительно сократят энергопотребление и стоимость производства мобильных устройств.

+11
голос

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT