Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har utvecklat en metod för att utvärdera och välja optimal antenndesign för framtida femte generationens (5G) mobiltelefoner, andra trådlösa enheter och basstationer.

Den nya NIST-metoden kan öka kapaciteten för trådlöst 5G-nätverk och minska kostnaderna.

5G-system kommer att undvika trånga konventionella trådlösa kanaler genom att använda högre, millimetervågsfrekvensband. Sändningar på dessa frekvenser förlorar mycket energi på vägen, vilket försvagar den mottagna signalstyrkan. En lösning är "smarta" antenner som kan bilda ovanligt smala strålar – det område i rymden där signaler sänds eller tas emot – och snabbt styra dem i olika riktningar.

Antennens strålbredd påverkar det trådlösa systemets design och prestanda. NIST:s nya mätbaserade metod tillåter systemdesigners och ingenjörer att utvärdera de mest lämpliga antennstrålbredderna för verkliga miljöer.

"Vår nya metod kan minska kostnaderna genom att möjliggöra större framgång med initial nätverksdesign, eliminera mycket av trial and error som nu krävs, "NIST-ingenjör Kate Remley sa. "Metoden skulle också främja användningen av nya basstationer som sänder till flera användare antingen samtidigt eller i snabb följd utan att en antennstråle stör en annan. Detta, i tur och ordning, skulle öka nätverkskapaciteten och minska kostnaderna med högre tillförlitlighet."

Detta är den första detaljerade mätningsbaserade studien av hur antennstrålbredd och -orientering interagerar med omgivningen för att påverka millimetervågsignalöverföring. I tekniken, NIST-mätningar som täcker ett brett spektrum av antennstrålevinklar omvandlas till ett rundstrålande antennmönster som täcker alla vinklar lika. Det rundstrålande mönstret kan sedan segmenteras i smalare och smalare strålbredder. Användare kan utvärdera och modellera hur antennstrålens egenskaper förväntas prestera i specifika typer av trådlösa kanaler.

En ingenjör skulle kunna använda metoden för att välja en antenn som bäst passar en specifik tillämpning. Till exempel, ingenjören kan välja en strålbredd som är tillräckligt smal för att undvika reflektioner från vissa ytor eller som tillåter flera antenner att samexistera i en given miljö utan störningar.

För att utveckla den nya metoden, NIST-teamet samlade in experimentella data i en hall och lobby i en NIST-forskningsbyggnad, med hjälp av en speciell robot laddad med ett anpassat kanalekolod och annan utrustning. Ett kanalekolod samlar in data som fångar signalreflektionerna, diffraktioner och spridning som uppstår mellan en sändare och mottagare. Många sådana mätningar kan användas för att skapa en statistisk representation av radiokanalen, för att stödja tillförlitlig systemdesign och standardisering.

NIST-studieresultat bekräftar att smala strålar avsevärt kan minska signalstörningar och förseningar, och att en optimerad strålriktning minskar energiförlusten under överföringar. Till exempel, tidsintervallet under vilket signalreflektioner anländer (ett mått som kallas RMS-fördröjningsspridning) sjönk dramatiskt från 15 nanosekunder (ns) till cirka 1,4 ns när antennstrålebredden reducerades från rundstrålande (360 grader) till en smal 3 graders eller så kallad pennstråle .

Framtida forskning kommer att omfatta utvidgning av metoden till olika miljöer och analys av andra trådlösa kanalegenskaper.