Моделирование антенн сотовых телефонов методом векторных конечных элементов

• Автор: Салимов, Роман Вячеславович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 97 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. АНТЕННЫ МОБИЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ И МЕТОДЫ ИХ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
1.1 Особенности конструкции и параметры антенн сотовых телефонов
1.2 Постановка задачи. Исходные уравнения
1.4 Сравнительный анализ методов моделирования волновых электромагнитных полей
1.4.1. Метод конечных разностей
1.4.2. Метод моментов
1.4.3 Метод конечных элементов
1.5 Основные положения метода векторных конечных элементов
1.5.1 Дискретизация задачи. Метод Галеркина
1.5.2 Базисные функции
1.5.3 Ассемблирование и решение глобальной СЛАУ
1.5.4 Учет граничных условий
ГЛАВА 2. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДА ВЕКТОРНЫХ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕПМЕНТОВ
2.1 Описание программы
2.2 Метод быстрого расчета амплитудно-частотных характеристик
2.3 Моделирование источников возбуждения
2.4 Расчет параметров многополюсных микроволновых устройств
2.5 Моделирование сосредоточенных элементов
ГЛАВА 3. РАСЧЕТ ПОЛЯ И ПАРАМЕТРОВ АНТЕНН
3.1 Радиационные граничные условия
3.2 Расчет поля в дальней зоне
3.3 Расчет параметров антенн
ГЛАВА 4. МЕТОДЫ РАСЧЕТА УДЕЛЬНОЙ ПОГЛОЩАЕМОЙ МОЩНОСТИ
4.1 Стандартные методики определения максимальной удельной поглощаемой мощности в голове пользователя
4.2 Численный метод расчета удельной поглощаемой мощности
4.3 Способы снижения удельной поглощаемой мощности
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Последние десятилетия характеризуются стремительным развитием телекоммуникационных систем, в частности, мобильной сотовой связи. Современный сотовый телефон - продукт эволюции протоколов мобильной связи и технологий, позволяющих производить компактные многофункциональные устройства. Так как функционирование сотового телефона основано на приеме и передаче электромагнитных волн микроволнового диапазона, особый интерес представляет задача проектирования и оптимизации приемо-передающих модулей телефона, в частности, антенной системы. Следует отметить, что актуальность проблемы проектирования антенн сотовых телефонов возрастает по мере развития систем сотовой связи, несмотря на улучшение покрытия местности базовыми станциями и, как следствие, ослабление требований к чувствительности и мощности применяемой аппаратуры. Причины этого кроются как в усложнении конструкции телефона вследствие расширения набора выполняемых им функций.
К конструктивным особенностям современного сотового телефона, усложняющим его электродинамический анализ, можно отнести следующие основные черты:
1) Компактный размер - как правило, характерный размер сопоставим или меньше рабочей длины волны электромагнитного излучения, что делает необходимым применение электрически малых антенн с вытекающими последствиями в виде ограничения по ширине поддерживаемых частотных диапазонов;
2) Применение внутренних антенн. Эта особенность особенно важна, так как, в отличие от внешних антенн, влияние корпуса и деталей телефона на работу внутренней антенны существенным образом сказывается на ее радиочастотных характеристиках. Более того, это влияние не представляется возможным учесть с применением аналитических методов — необходим натурный эксперимент. Альтернативой экспериментальным исследованиям и оптимизации характеристик с помощью работы с прототипом является численное моделирование,

причем для получения точного результата необходим учет всех основных проводящих и непроводящих деталей телефона,
3) Плотная компоновка деталей усложняет задачу проектирования антенны из-за ограничений по занимаемому антенной объему;
4) Расположение сразу нескольких встроенных антенн в одном корпусе, например для обмена информацией с помощью беспроводных Wi-Fi и Bluetooth протоколов, при этом возможна работа соответствующих радиомодулей в пересекающихся частотных диапазонах. Соответственно, необходимо решение задачи о минимизации влияния антенн друг на друга.
5) Наличие перемещающихся друг относительно друга частей телефона делает необходимым оценку влияния динамических изменений конструкции на характеристики телефона.
Проблема численного моделирования сотового телефона осложняется сложной криволинейной геометрией деталей и неупорядоченным чередованием материалов с различными физическими свойствами.
Требования к дизайну антенн помимо обозначенных особенностей компоновки узлов телефона в равной степени определяются необходимостью поддержки тех или иных протоколов мобильной связи. Для современных телефонов стандартом является поддержка сразу нескольких частотных диапазонов, что делает актуальным проблему проектирования многодиапазонных антенн.
В целях сохранения совместимости при развитии сетей третьего поколения (3G) было принято решение обеспечить одновременную поддержку соответствующих широкополосных протоколов и сетей второго поколения, что приводит к усложнению процесса проектирования антенн. Цель внедрения новых протоколов - обеспечение высокой скорости передачи данных при условии приема и передачи в среде с многолучевым распространением и перемещения мобильного терминала в пространстве с достаточно высокой скоростью. На момент написания данной работы уже началось развертывание сетей четвертого поколения, в рамках которых для борьбы с быстрыми замираниями предусмотрены широкополосные протоколы и применение нескольких антенн для

Рис. 1.4. Порядок нумерации узлов и ребер тетраэдра Для любого I -ого ребра базисная (реберная) функция Уитни:
/ = 0..5, (1.23)
где - длина г-ого ребра; ;2 — барицентрические (симплексные) координаты первого и второго узла ребра. Барицентрическая координата у -ого узла в точке Р, внутри тетраэдра равна отношению объема тетраэдра, образованного тремя противоположными / -му узлу вершинами тетраэдра и точкой Р , к объему всего тетраэдра:

=-у- С1-24)
Выражение для барицентрических координат в декартовом базисе следующее:
с,, =а, +Ь1х + с1у + (1г,1 = 0..3, (1-25)
.. = Ь,ех + С,еу + 4** О '26)
Множество коэффициентов а,определяется инвертированием матрицы координат узлов тетраэдра:
Л 0 с/0 а~ х0 X, х2 х3
а, Уо У, У2 Уз
2 с2 <12 а2 2о 22 гз
сз аз. 1