Come funzionano le antenne per telefoni cellulari

Le onde dei telefoni cellulari hanno cambiato radicalmente il modo in cui comunichiamo . Si dice che il numero di telefoni cellulari nel mondo sia maggiore del numero di persone. Ma sai davvero come il tuo cellulare è connesso a Internet? Dopo aver letto questo articolo saprai qual è la relazione tra il tuo telefono cellulare e il test dell'antenna over-the-air del dispositivo wireless.

Onde dei telefoni cellulari – Cosa sono in realtà?
Come funziona un telefono?
Struttura di un telefono cellulare
Stazione base che controlla le interazioni wireless
Come vengono misurate le onde dei telefoni cellulari?
Perché è così importante testare le onde dei telefoni cellulari?
Riferimenti

Onde dei telefoni cellulari – Cosa sono in realtà?

Cell Le onde telefoniche hanno cambiato tutto, ma allo stesso tempo sono invisibili e impercettibili all'occhio umano. Sebbene questo concetto sia piuttosto complicato, ti mostreremo le onde radio invisibili del tuo dispositivo. In questo articolo, useremo un telefono cellulare come esempio, ma tutti i dispositivi wireless funzionano secondo lo stesso principio. Poiché tutta la tecnologia wireless utilizza le onde radio per comunicare, quando si parla di onde dei telefoni cellulari, ci si riferisce alle onde radio utilizzate per trasmettere informazioni da e verso un telefono cellulare.

Le reti radio sono tutte intorno a noi. Queste reti sono gestite da operatori di telecomunicazioni. Quando un telefono cellulare è acceso, il telefono inizia a cercare le frequenze dalla rete radio che lo circonda. Quando il telefono e il Le schede SIM sono accettate dalla rete radio dell'operatore , il telefono è pronto per essere utilizzato per trasmettere e ricevere chiamate e messaggi. Puoi essere accettato alla tua rete domestica ma quando viaggi al di fuori dell'area di copertura geografica della rete domestica , È possibile visitare un'altra rete utilizzando un contratto di roaming.

La stazione base deve essere in grado di sentire bene le onde radio del telefono cellulare e viceversa . Perché ciò accada, la tecnologia utilizzata dalla stazione base e da un telefono deve essere la stessa. Se una stazione base supporta la tecnologia 5G e il telefono supporta solo la tecnologia 4G, la tecnologia utilizzata nella comunicazione è il 4G perché viene sempre scelta la tecnologia inferiore. Se il telefono del tuo amico supporta la tecnologia 3G, il 3G viene scelto per la comunicazione.

Come funziona un telefono?

Quando si utilizza un telefono cellulare, vengono emesse radiazioni a radiofrequenza. Si tratta di radiazioni non ionizzanti. I telefoni, come qualsiasi altro prodotto wireless, includono antenne. L'antenna di un telefono lancia onde radio nello spazio e queste onde vengono raccolte da un ricevitore nella torre del telefono cellulare. Le antenne dei telefoni cellulari irradiano e catturano il segnale radio che Oltre a

una buona connessione tra un telefono e l'antenna di una stazione base, le stazioni base devono essere in grado di comunicare senza problemi tra loro. Devono informarsi a vicenda su quale stazione base ha la responsabilità del controllo. In parole povere, devono comunicare in merito all'handover, al processo di trasferimento di un dato in corso, alla sessione di chiamata .

Cosa succede durante una telefonata ?

Il telefono cellulare è fatto per la comunicazione bidirezionale . Quando parli con il tuo amico durante una chiamata, succedono le cose successive:

1. Trasformare le onde sonore in dati digitali

Un microfono in un telefono converte la voce in stringhe di numeri. L'enorme numero di bit è racchiuso in un file zip. Questi numeri vengono poi trasformati in onde a radiofrequenza e impacchettati su un'onda sinusoidale.

2. Trasmissione dei dati digitali a una stazione base

Questi dati digitali vengono quindi trasmessi secondo varie linee come segue: una volta che il suono è stato posizionato sull'onda sinusoidale, quest'onda trasmette il messaggio all'antenna del telefono che invia il segnale. L'onda radio si muove nell'aria, alla velocità della luce, fino a quando Raggiunge la stazione base più vicina .

3. Infine

, i dati digitali raggiungono la persona con cui stai parlando: l'antenna ricevente di un altro telefono riceve quindi le onde radio e decodifica il messaggio dall'onda sinusoidale che riceve. In questo modo il telefono del tuo amico converte il segnale in audio con il ricevitore.

Struttura di un telefono

cellulare Un telefono cellulare è un trasmettitore radio e, come altri prodotti wireless, include antenne. Lo scopo principale delle antenne è quello di inviare onde radio nello spazio. Per rendere possibile la chiamata, il tuo cellulare deve includere due cose:

Trasmettitore che invia onde
Ricevitore che accetta onde

La maggior parte dei telefoni cellulari moderni ne ha più antenne trasmittenti o riceventi di telecomunicazione. Al momento possono essere fino a diverse dozzine. Un telefono cellulare può utilizzare contemporaneamente l'antenna del trasmettitore e l'antenna del ricevitore. Può anche comprendere centinaia di frequenze diverse e passare da una frequenza all'altra.

Il numero di antenne in un telefono cellulare dipende da molte cose:

Frequenze supportate dal telefono

L'antenna è progettata per trasmettere e ricevere frequenze specifiche di onde radio. Le frequenze sono diverse in Europa, Asia e Stati Uniti. Quando un telefono è destinato ad essere venduto nei mercati globali, deve supportare tutte le frequenze e inevitabilmente il numero di antenne aumenta.

Il design di un telefono cellulare dipende da un produttore. Un telefono può avere meno antenne cellulari che coprono un'ampia gamma di frequenze o più antenne che coprono una gamma più stretta

Tecnologia cellulare utilizzata (ad es. 2G, 3G, 4G, 5G)

Quando il telefono supporta la tecnologia più recente, il numero di antenne aumenta. Un telefono che supporta la tecnologia 5G ha almeno un'antenna aggiuntiva rispetto a un telefono che supporta la tecnologia 4G. Man mano che le dimensioni dell'antenna diminuiscono, è possibile aggiungere più antenne a un dispositivo, anche se le dimensioni del telefono aumentano a causa dei requisiti dello schermo. Allo stesso modo, quando la quantità di dati trasmessi aumenta, la quantità di antenne deve naturalmente aumentare.

Le

antenne all'interno di un telefono cellulare sono molto compatte al giorno d'oggi, la lunghezza di un'antenna è di soli due millimetri. Un telefono cellulare contiene almeno un'antenna radio, chiamata antenna cellulare primaria. L'antenna cellulare primaria è estremamente importante perché viene utilizzata per comunicare. In genere, questo è l'unico cellulare antenna che trasmette. Pertanto, ha molte specifiche e requisiti per soddisfare, ad esempio, i requisiti SAR. Le antenne trasmittenti sono solitamente posizionate nella parte inferiore del telefono. Questo perché la testa umana diminuisce la trasmissione e poiché l'antenna è posizionata più lontano, meno radiazioni vengono assorbite dalla testa dell'utente.

Come sai, il tuo telefono ha anche altri attributi oltre alla trasmissione e alla ricezione di telefonate. A tal fine, il telefono include anche antenne separate per Wi-Fi, Bluetooth, NFC (Near Field Communication) e GPS (sistema di posizionamento globale). Le antenne incluse nel telefono dipendono dal produttore.

Al giorno d'oggi le antenne vengono aggiunte a molti dispositivi e piattaforme wireless diverse. Puoi trovare antenne in orologi, anelli, case intelligenti e persino sui vestiti. Pertanto, il numero di antenne aumenterà nel mondo e l'importanza di Il test dell'antenna sta crescendo con esso.

Stazione base e interazioni wireless

Sapevi che la potenza trasmessa dalla stazione base è sempre la stessa, ma la potenza trasmessa dal tuo telefono varia.

Immagina la seguente situazione: ti trovi in cima a un edificio e c'è una persona nel terreno sotto di te. Quando questa persona ti urla , puoi sentire bene quello che ha da dire, ma all'improvviso compaiono altre persone e tutte iniziano a urlare. Quando ci sono 50 persone che cercano di urlarti allo stesso tempo, diventa estremamente difficile capire cosa sta cercando di dire ogni persona. Per ascoltare ciò che una persona dice, devi dire a un'altra persona di stare più tranquilla.

Questo è ciò che Anche la stazione base lo fa. Dice al tuo cellulare di aumentare o diminuire la potenza a seconda di quante persone ci sono intorno a te. Nei telefoni 3G, ad esempio, la stazione base regola la potenza del telefono circa 1500 volte al secondo. Ti ricordi l'ultima volta che sei stato a un festival con tanta gente? Probabilmente hai avuto difficoltà a ricevere i tuoi messaggi o le tue chiamate. Questo è accaduto perché la stazione base vicino a te era sovraccarica a causa di un improvviso aumento della popolazione in quella zona.

Nuova tecnologia – migliore ricezione?

La nuova tecnologia wireless offre nuove opportunità. L'ultima tecnologia chiamata tecnologia MIMO (multiple input multiple output) utilizza più trasmettitori e ricevitori, consentendo di spostare più dati, più velocemente e su un'area più ampia. L'antenna MIMO invia un raggio separato a ciascuno Questa tecnologia viene utilizzata sia nelle antenne 5G e 4G nelle stazioni base che sui dispositivi 5G e 4G . MIMO risolve molti problemi della tecnologia wireless che affrontiamo oggi.

Quando un telefono è vicino alla stazione base e un segnale lascia una stazione base al telefono ricevente, Viene utilizzata la tecnologia MIMO. La velocità di trasmissione dei dati è elevata quando si utilizza la tecnologia MIMO e ciò significa che una maggiore quantità di dati può essere trasferita in modo più efficiente. All'aumentare della distanza, la potenza del segnale di trasmissione diminuisce e la quantità di rumore (rapporto segnale/rumore) aumenta a sufficienza, il MIMO non può più essere utilizzato.

E per quanto riguarda il SISO?

Quando questo limite viene raggiunto, la stazione base deve passare a una tecnologia SISO più semplice che ha una migliore, La tecnologia SISO viene quindi utilizzata quando il telefono è più lontano dalla stazione base. Le condizioni richieste da SISO sono meno impegnative, ma quando si passa a SISO, la velocità di trasmissione dei dati diminuisce in modo significativo. Questo perché ora c'è solo un'antenna trasmittente e ricevente, poiché SISO si riferisce a Single Input Single Output.

Le nuove generazioni di stazioni base utilizzano antenne più potenti ed efficienti, il che significa che possono trasmettere un segnale più lontano rispetto ai modelli precedenti, come dimostra la linea tratteggiata rossa nell'immagine sottostante. L'utilità marginale raggiunta significa che la stessa area di copertura viene raggiunta con un minor numero di stazioni base, In tal caso, le stazioni base non devono essere posizionate in modo così denso. Le stazioni base possono anche essere posizionate l'una vicino all'altra quando la potenza di trasmissione non deve essere così elevata.

Le onde dei telefoni cellulari sono misurate

in termini di frequenza. Questo si riferisce al numero di volte in cui un'onda oscilla su e giù al secondo. L'onda sinusoidale è un'onda continua che oscilla in modo fluido e periodico, come presentato nell'immagine sottostante. Queste onde sinusoidali sono utilizzate da tutte le radio per trasmettere informazioni. Ogni onda ha una propria frequenza che le separa l'una dall'altra. Quando si progettano la potenza e le prestazioni ottimali per il telefono, è necessario garantire la sicurezza delle radiazioni trasmesse. Negli Stati Uniti e in Canada, il telefono può irradiare con una potenza di 1,6 watt e in Europa 2 watt per chilogrammo.

L'antenna utilizzata in un dispositivo influisce notevolmente sulla potenza trasmessa da un telefono e sulla distanza percorsa dal segnale. Quando la distanza aumenta, la potenza svanisce lentamente in rumore. Se la potenza di un telefono è bassa, deve Essere vicini alla stazione base per lavorare. Migliore è l'antenna, maggiore è la potenza, più lontano è il segnale. Inoltre, il luogo e i fattori ambientali in cui viene utilizzato il dispositivo influenzano le prestazioni dell'antenna.

Misurare la potenza trasmessa dalle antenne, in altre parole, le prestazioni dell'antenna è fondamentale. La mano e la testa umana influenzano il modo in cui funziona il telefono e, a seconda del telefono e del suo design, possono tollerare l'effetto dell'utente in modo diverso. Questo effetto utente è dimostrato dalla mano fantasma e da una testa riempita con un liquido di simulazione omogeneo che simula elettronicamente il tessuto umano. Il fantasma della mano è solido ma ha la stessa conduttività elettrica di una mano umana. I fantocci sono sviluppati in modo che non siano necessari esseri umani reali per testare la radiazione in una camera di prova.

Diagramma di radiazione dell'antenna di un telefono cellulare

Il modello di radiazione di un L'antenna dimostra come l'antenna irradia energia a radiofrequenza. Come accennato, una mano e una testa umana possono influire drasticamente sulle prestazioni delle antenne. Questo può essere chiaramente visto dai modelli di antenna di un telefono cellulare.

Le immagini successive mostrano come cambia il diagramma di radiazione di un telefono cellulare, quando si misura il telefono in uno spazio libero rispetto alla misurazione del telefono con una mano e una testa. Per dimostrare la differenza in modo più chiaro, abbiamo prodotto modelli di antenna 2D e 3D del modello di radiazione del telefono cellulare.

Il colore rosso indica che l'antenna sta trasmettendo energia in quella direzione in modo potente. Il verde indica una potenza di trasmissione più debole. Le immagini sopra mostrano che la potenza di trasmissione delle antenne è spesso più potente nella parte inferiore dei telefoni. Questo perché le antenne trasmittenti sono posizionate nella parte inferiore dei telefoni, in modo che meno radiazioni vengano assorbite dalla testa dell'utente. Un altro motivo per il posizionamento è ridurre al minimo l'effetto della testa e della mano umana sulla potenza di trasmissione.

I laboratori Verkotan sono in grado di produrre modelli di radiazione dell'antenna 3D accurati del dispositivo. Le misurazioni per i dispositivi mobili possono essere effettuate nello spazio libero, ma possiamo anche utilizzare fantasmi della mano, della testa e del corpo o persino persone reali per vedere come si comporta il tuo prodotto in casi d'uso realistici e diversi. Verkotan è in grado di personalizzare l'ambiente di test in base alle vostre esigenze specifiche! Offriamo anche test 3D del modello di antenna per le antenne delle stazioni base.

Perché è così importante testare le onde dei telefoni cellulari?

Il numero di persone che collegano i propri dispositivi wireless alle reti wireless è aumentato in modo significativo negli ultimi anni. Gli utenti si aspettano che i loro dispositivi funzionino perfettamente ovunque e gli operatori devono rispondere a queste aspettative con una migliore affidabilità. Il test OTA (over-the-air) dei dispositivi mobili viene utilizzato per Valuta le prestazioni e l'affidabilità di qualsiasi prodotto wireless, inclusi il telefono e la stazione base.

Perché testare l'antenna del dispositivo wireless?

Per aiutare a produrre r s per soddisfare requisiti diversi

Molti operatori di rete chiedono ai produttori di telefoni cellulari di eseguire test OTA dei dispositivi wireless per vedere se le prestazioni del telefono funzionano abbastanza bene. Il test dell'antenna OTA è richiesto anche da CTIA e 3GPP.

Per valutare le prestazioni del telefono cellulare in diversi ambienti

Il test dell'antenna può essere eseguito in tutte le fasi durante il prodotto ciclo di sviluppo. Un test OTA in fase iniziale consente al produttore di controllare e modificare il prodotto più facilmente, risparmiando denaro nella fase di ricerca e sviluppo dello sviluppo del prodotto.

Per migliorare l'esperienza dell'utente

, il test dell'antenna over-the-air può aiutare i team di sviluppo del prodotto a identificare i problemi e ad aumentare l'esperienza dell'utente finale. Molte cose, ad esempio l'ambiente o i tessuti umani, possono influenzare il modo in cui una cellula Il telefono funziona. Inoltre, all'interno del tuo cellulare, ci sono molti altri componenti oltre alle antenne. Eventuali componenti metallici possono interagire con le antenne di trasmissione e disturbare le prestazioni.

Quando si utilizza il telefono, ad esempio, per effettuare una chiamata, il telefono emette radiazioni. Rende tecnicamente possibile chiamare con un telefono cellulare. Allo stesso tempo, il tuo telefono è progettato in modo sicuro Utilizzare. È qui che i test SAR (tasso di assorbimento specifico) e OTA (over-the-air) svolgono un ruolo molto importante. Il test SAR è fondamentalmente l'opposto del test OTA e garantisce che il tuo dispositivo sia sicuro da usare. Puoi leggere di più sulle radiazioni dei telefoni cellulari e sui test SAR nel nostro precedente articolo.

Da 1G a 5G

Nuove tecnologie, nuovi dispositivi e nuove antenne consentono migliori prestazioni delle stazioni base e di altri dispositivi wireless. Quando il numero di telefoni cellulari è In 40 anni siamo passati dall'1G al 5G. Il 5G , come suggerisce il nome, è la^quinta generazione di reti mobili. Ci offre molti vantaggi come una maggiore velocità, una maggiore reattività e la capacità di connettersi Più dispositivi contemporaneamente. Allo stesso tempo, le nuove tecnologie aumentano l'importanza dei test OTA dei dispositivi wireless.

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Referenze

https://electronics.howstuffworks.com/cell-phone-radiation1.htm

https://electronics.howstuffworks.com/radio4.htm

https://pongcase.com/blog/cell-phones-work/

https://en.wikipedia.org/wiki/Cellular_network#Movement_from_cell_to_cell_and_handing_over