Szkło przyjazne dla urządzeń mobilnych – porównanie rozwiązań z punktu widzenia użytkownika końcowego

Szczegóły: Kategoria: Wydanie 01/2021; Opublikowano: 03 luty 2021

W tym artykule porównano, za pomocą symulacji i pomiarów, różne rozwiązania związane ze szkłem służące do rozwiązywania problemów z łącznością bezprzewodową w pomieszczeniach, a także wyjaśniono implikacje różnic między różnymi technologiami.

Przeprowadzono analizę całkowitej mocy przesyłanej (przechodzącej) przez szyby i wzorce rozpraszania w zakresie częstotliwości 3,5 GHz oraz przedstawiono pomiary terenowe w działającej sieci 5G.

Badania pokazują, że z punktu widzenia użytkownika końcowego całkowita przesyłana moc i szerokość wiązki w płaszczyźnie poziomej są podstawowymi właściwościami, które należy wyszczególnić (scharakteryzować) w opisie materiałów konstrukcyjnych przezroczystych dla sygnału (np. łączności komórkowej).

Właściwości te mogą wskazywać na duże różnice między poszczególnymi rozwiązaniami o różnych szerokościach wiązki rozpraszanej. Tradycyjna metoda pomiaru strat transmisji z dwiema antenami ustawionymi naprzeciwko siebie nie jest w stanie tego scharakteryzować.

Aby w pełni określić pasywne rozwiązania o różnych kształtach wiązek, wymagane jest obliczenie mocy w zakresie 3D. Sugeruje się, że całkowite transmitowane moce można scharakteryzować za pomocą równoważnych apertur1 (szczeliny lub otwory). Ponadto analiza wzoru rozpraszania za pomocą przekroju2 radaru bistatycznego3 (bistatic radar cross section) powinna być wykorzystana do oszacowania efektywności pokrycia zewnętrznego nad horyzontem.

Wstęp
W przededniu piątej generacji bezprzewodowej łączności komórkowej (5G) tłumienie sygnału przez szkło niskoemisyjne (montowane w oknach i na fasadach budynków) w połączeniu z innymi materiałami konstrukcyjnymi staje się czynnikiem ograniczającym pełny potencjał nowych technologii. Ogromne znaczenie niskiego tłumienia dla łączności bezprzewodowej widać na rysunku 1, który przedstawia pomiary tego, jak wydajność terminala bezprzewodowego jest bezpośrednio zależna od siły odbieranego sygnału.

Rys. 1a i 1b przedstawiają zależność szybkości pobierania i wysyłania komercyjnego routera bezprzewodowego 5G odpowiednio od siły odbieranego sygnału. Z drugiej strony rys. 1c pokazuje zależność, od siły sygnału, stosunku sygnału do szumu (Signal-to-Noise Ratio SNR) połączenia 4G i 5G, która jest głównym miernikiem osiągalnej szybkości połączenia. Podobną zależność między efektywnością/wydajnością a siłą połączenia można ustalić dla dowolnego urządzenia bezprzewodowego.

Problemy z łącznością wewnątrz pomieszczeń mogą powodować: zawodne połączenia, przerywanie połączeń lub zmniejszoną prędkość połączenia. Przede wszystkim dlatego, że urządzenia pracują zbyt blisko swoich poziomów czułości z powodu słabego sygnału.

Degradacja połączenia bezprzewodowego w pomieszczeniach z powodu tłumienia sygnału docierającego do wnętrza przez przegrody zewnętrzne jest problemem dla każdego urządzenia bezprzewodowego. Jednak redukcja tłumienia wywoływanego przez szkło (taflę szklaną) może być wykorzystana w celu zapewnienia wydajnego odzyskiwania siły sygnału w pomieszczeniu, dzięki czemu utrzymana jest moc sygnału w pomieszczeniu znacznie powyżej poziomów czułości urządzeń bezprzewodowych.

2021 01 43 1a

Rys. 1a. Zmierzona prędkość pobierania terminala 5G w porównaniu z siłą odbieranego sygnału w sieci 3,5 GHz (non-standalone NSA) Time Division Duplex (TDD) o szerokości pasma 50 MHz

2021 01 43 1b

Rys. 1b. Zmierzona prędkość wysyłania terminala 5G w funkcji siły sygnału odbieranego w sieci 3,5 GHz TDD NSA

2021 01 43 1c

Rys. 1c. Zmierzony stosunek sygnału do szumu w sieci 4G i 5G a siła sygnału odebranego. Pomiary zostały wykonane w Finlandii w styczniu 2019 roku

W tym artykule porównano, poprzez symulacje komputerowe i pomiary w terenie, dwa różne rozwiązania, wykorzystujące szkło, służące do redukcji tłumienia wywoływanego przez oszkloną fasadę, a także wyjaśniono implikacje różnic między technologiami. Powierzchnie selektywne częstotliwościowo (frequency-selective-surfaces FSS), tj. dwuwymiarowe filtry pasmowe, były rozwiązaniem stosowanym

w przemyśle szklarskim [1] – [3]. Dlatego pierwszym analizowanym rozwiązaniem jest typowa siatka FSS. Drugim analizowanym rozwiązaniem jest układ anten szczelinowych o zwiększonej szerokości wiązki poziomej. Różnice rozwiązań są analizowane w paśmie częstotliwości 3,5 GHz, które będzie podstawą przyszłego wdrożenia sieci 5G.

Struktura artykułu jest następująca. W punkcie 2 przedstawiono struktury (konstrukcje fasady przeszklonej) i analizę przepływu mocy przez różne struktury/ konstrukcje. W punkcie 3 wprowadzono analizę wzoru rozpraszania w postaci przekrojów radarowych, a punkcie 4 przedstawiono pomiary różnych rozwiązań, zarówno w komorze bezechowej, jak i w teście 5G w terenie.

¹ Apertura – otwór ograniczający przestrzeń, przez którą przechodzą fale elektromagnetyczne.

² Przekrój radaru (radar cross section RCS ) jest miarą tego, jak wykrywalny jest obiekt przez radar . Dlatego nazywa się to podpisem elektromagnetycznym obiektu. Większy RCS oznacza, że obiekt jest łatwiejszy do wykrycia.

³ Radar bistatyczny to system radarowy składający się z nadajnika i odbiornika, które są oddalone o odległość porównywalną do oczekiwanej odległości od celu. I odwrotnie, radar, w którym znajduje się nadajnik i odbiornik, nazywany jest radarem monostatycznym .

Przepływ energii elektromagnetycznej przez szybę
Na rys. 2 pokazano struktury, które były symulowane podczas tego badania. Lewa strona przedstawia metalowy panel z otworem pośrodku. Otwór był używany jako odniesienie dla innych wyników.

Badano zarówno otwartą aperturę, jak i aperturę z niepowlekanego szkła float. Struktura w środku przedstawia powszechnie znaną siatkę FSS na powłoce z polami o rozmiarach 10 mm. Struktura po prawej stronie przedstawia powlekany panel szklany, w którym układ anten szczelinowych jest utworzony na przewodzącej warstwie powłoki.

Zarówno FSS, jak i antena szczelinowa zostały najpierw zasymulowane przy użyciu powłoki Perfect Electric Conductor (PEC), a następnie zastąpiono powłokę warstwą przewodzącą o rezystancji powierzchniowej 5 Ω/. Na potrzeby tych symulacji taflę szklaną modelowano przy użyciu przenikalności 4,6 i stycznej straty 0,0005. Na taflę szklaną zastosowano grubość 4 mm.

Rys. 3 pokazuje, jak te różne struktury rozprowadzają energię bezprzewodową, gdy fala przenika przez otwór w ścianie. Symulacje w dziedzinie czasu przeprowadzono przy użyciu programu T-solver firmy CST Microwave Studio, opartego na technice integracji skończonej (FIT).

Symulacje pokazują, w jaki sposób zarówno aperturę z niepowlekanego szkła float, jak i powlekanego szkła z siatką FSS kieruje energię sygnału 3,5 GHz na wąską wiązkę o wysokiej kierunkowości, podczas gdy układ anten szczelinowych rozprowadza energię w układzie dookólnym.

Biorąc pod uwagę pełną strukturę, widać, że geometria apertury wpływa na wzór rozpraszania transmitowanej fali. Aby porównać tak różne zachowanie poszczególnych rozwiązań, należy najpierw scharakteryzować całkowitą sprawność rozwiązań, mianowicie poprzez całkowanie pełnej mocy przenoszonej przez szkło.

Typowe metody projektowania i analizy FSS zakładają nieskończoną sieć 2D, a zarówno fale padające, jak i transmitowane są traktowane jako fale płaskie. To założenie nieskończoności należy przełamać, a skutki strat zarówno geometrii, jak i tafli szkła należy rozpatrywać oddzielnie.

Rys. 4 przedstawia ilustrację przepływu energii elektromagnetycznej przez izolowaną szczelinę. Padająca fala ma natężenie (Si), ponieważ oświetla powierzchnię szyby w otworze.

Oprócz obszaru fizycznego, apertura posiada efektywny obszar odbiorczy, który jest powiązany z kierunkowością apertury jako funkcją kąta padania. Całkowita moc odbierana z przestrzeni padania jest dostarczana na drugą stronę apertury i jest ona zmniejszana o pewną stratę w aperturze. Główne źródła strat są spowodowane ubytkiem materiału, odbiciem i zwężeniem pola apertury.

2021 01 43 2

Rys. 2. Symulowane struktury/konstrukcje.
Po lewej: przysłona dla symulacji szkła float i otwartej apertury (przypadek bez tłumienia).
Środek: przysłona wypełniona siatką FSS na szkle powlekanym (rozwiązanie tradycyjne).
Po prawej: przesłona wypełniona powlekanym szkłem i anteny szczelinowe umieszczone w powłoce (rozwiązanie alternatywne).

Rys. 3. Symulowana przez FIT odpowiedź impulsowa otwartego okna (po lewej), siatki FSS (w środku) i anten szczelinowych (po prawej) dla modulowanego sygnału 3,5 GHz

Ze względu na obecność strat, transmitowana/ przechodząca moc przez aperturę jest zawsze mniejsza niż moc odbierana. Ponadto, ponieważ transmitowany/ przesyłany sygnał rozprasza się w różny sposób w poszczególnych rozwiązaniach, wykorzystanie efektywnego obszaru przechwytywania staje się niezgodne przy porównywaniu mocy, ponieważ jest zależne od kąta transmisji i kierunku.

Bardziej wykonalnym podejściem jest określenie całkowitej mocy transmitowanej/przesyłanej przez aperturę. Odbywa się to poprzez całkowanie natężenia transmitowanego sygnału na całej hemisfery4 (półkuli) z transmitowanej przestrzeni. We współrzędnych pokazanych na rys. 4 oznacza to przestrzeń ujemnej osi X.

Wykorzystując informacje dotyczące całkowitej przesyłanej mocy, możliwe jest odniesienie/porównanie sprawności różnych rozwiązań do równoważnych powierzchni apertury, czyli powierzchni równoważnej otwartej szczeliny w ścianie, która dostarcza taką samą ilość całkowitej mocy jak charakteryzowana konstrukcja. Takie podejście uniezależniłoby porównanie od kierunku rozpraszania.

Rys. 5 przedstawia obliczenie całkowitej mocy przez otwartą aperturę, szkło float, szkło powlekane z siatką FSS i szkło powlekane z matrycą anten szczelinowych. Symulacje są wykonywane zarówno bez strat przewodnika (PEC), jak i z powłokami stratnymi oraz z bezpośrednią i boczną falą padającą.

Do tych symulacji zastosowano Metodę Elementów Skończonych (Finite Element Method FEM) z wykorzystaniem programu (F-solver) z CST Microwave Studio. Z punktu widzenia całkowitej mocy porównywane struktury/konstrukcje są równorzędne. Symulacje przeprowadzono dla polaryzacji pionowej.

Wzorce rozpraszania dla różnych rozwiązań
Druga faza charakteryzowania różnych rozwiązań obejmuje analizę rozpraszania sygnału. Pojęcie powierzchni radaru (Radar Cross Section RCS) [4] jest dobrze znane w technologii radarowej, kiedy analizowane jest rozpraszanie sygnałów z obiektów fizycznych.

Bistatyczny RCS staje się użyteczny w analizie tafli szklanych, ponieważ sygnał padający i sygnał rozproszony lub ponownie wypromieniowany są zwykle obserwowane po różnych stronach szyby.
Bistatyczny RCS pokazuje natężenie sygnału rozproszonego w dowolnym kierunku dla padającego sygnału, który dociera z określonego kierunku.

Bistatyczny RCS staje się szczególnie przydatny w analizie elewacji ze względu na to, że ściany budynków są nieruchome, a większość zewnętrznych stacji bazowych znajduje się na horyzoncie.

W analizach łączności komórkowej i rozwiązań z przezroczystego szkła - bistatyczny RCS pokazuje, jak energia sygnału jest rozprowadzana w przestrzeni, co można przełożyć na oszacowanie skuteczności pokrycia różnych rozwiązań.

Szerokie kąty rozpraszania stają się ważne, gdy lokalizacja zewnętrznych stacji bazowych jest nieznana, a także gdy ruch użytkownika w pomieszczeniu jest przypadkowy, jak ma to miejsce we wszystkich praktycznych zastosowaniach.

Na rys. 6a pokazano, jak w różnych rozwiązaniach rozpraszana jest energię sygnału, gdy sygnał dociera prostopadle do szyby, a na rys. 6b pokazano te same wyniki, gdy sygnał dociera pod kątem 45° w płaszczyźnie poziomej.

Przekroje radaru RCS z rys. 6a i 6b pokazują wyraźną różnicę między siatką FSS, a układem anten szczelinowych, co widać również z zachowania impulsu w zależności od czasu z rys. 3.

Godne uwagi jest to, że FSS, zarówno z powłokami PEC, jak i powłokami stratnymi, wykazują o około 10 dB większe maksymalne wartości RCS niż struktury anten szczelinowych, które mają więcej dookólnych wzorców rozpraszania dla transmitowanego sygnału.

Również w przypadku fali padającej z boku, siatka FSS ma podobną kierunkowość jak otwarta apertura, podczas gdy matryca anten szczelinowych wykazuje rozpraszanie dookólne.

Z powyższego staje się również jasne, że konwencjonalna metoda pomiaru strat transmisji z antenami nadawczymi i odbiorczymi zamontowanych po przyległych (stykających się/sąsiednich) stronach tafli szklanej i ustawionych do bezpośredniego pomiaru promienia staje się nieadekwatna do porównywania rozwiązań o różnych kształtach wiązek.

Wynika to głównie z faktu, że FSS kieruje większość energii do anteny odbiorczej we wspomnianym układzie pomiarowym, a układ anten szczelinowych rozprowadza energię sygnału na boki.

2021 01 43 4

Rys. 4. Charakterystyka szkła oparta na 1) integracji całkowitej mocy nad hemisferą (półkulą niebieską) i 2) ocenie wzoru rozpraszania za pomocą przekroju radaru bistatycznego

Rys. 5. Całkowanie całkowitej mocy przesyłanej dla fali padającej bezpośrednio (po lewej) i fali bocznej (po prawej) przy kącie padania 45°. Wszystkie moce odnoszą się do maksymalnej wartości otwartej apertury z bezpośrednim padaniem. Model ze stratną impedancją (oporem) miał wpływ na dostrojenie anteny szczelinowej. Te same wymiary zastosowano zarównovdla anteny stratnej, jak i bezstratnej, a te wymiary zostały zaprojektowane dla obudowy bezstratnej

(...)

Rys. 7 ilustruje, jak apertura o wysokiej i niskiej kierunkowości „oświetla” horyzont. Przy równych mocach transmitowanych przez porównywalne apertury, apertura o wysokiej kierunkowości (szkło float i siatka FSS) koncentruje większość mocy sygnału w wąskim kącie bryłowym, co prowadzi do wyższego maksymalnego RCS.

Dla porównania, apertura o niskiej kierunkowości rozprowadza tę samą moc do większego kąta bryłowego, co z kolei przekłada się na mniejsze natężenie ponownie wypromieniowanego pola w jednym kierunku. Przykładowy rysunek ilustruje nieznaną lokalizację stacji bazowych na horyzoncie. Rys. 8 przedstawia symulowane wzorce RCS z rys. 6a i 6b jako mapę 2D nad horyzontem.

Górne obrazy pokazują mapę rozpraszania, gdy „świetlna” fala płaska dociera z kierunku φ = 0°, θ = 90°, tj. z kierunku dodatniej osi X, a dolne obrazy pokazują to samo, gdy świecąca fala płaska przybywa z kierunku φ = 45°, θ = 90°, czyli bokiem w płaszczyźnie XY, jak na rys. 3.

Moc dostarczana do horyzontu jest całkowana na wiązce azymutu 180° (φ = 90°… 270°) i wiązce wzniesienia 10° (θ = 85°… 95°).

⁴ Hemisfery niebieskie – półkule niebieskie, połowy sfery niebieskiej, rozdzielone horyzontem astronomicznym, przy czym jedna (hemisfera niebieska widoczna) znajduje się nad horyzontem, druga zaś (hemisfera niebieska niewidoczna) – pod horyzontem.

Z rys. 8 można zauważyć, że w przypadku siatki FSS wiązka azymutu o kącie 20° pokrywa 90% całej mocy dostarczanej do horyzontu, a przy układzie anten szczelinowych ten sam kąt bryłowy zawiera 26% odpowiedniej mocy.

Odpowiednie szerokości wiązki dla wzoru 3dB RCS wynoszą 8° dla siatki FSS i 80° dla układu anten szczelinowych. Również otwarta aperturę ma, wbrew intuicji, szerokość wiązki RCS 8°.

2021 01 43 6a

Rys. 6b. Widok z góry symulowanych wzorów rozpraszania dla różnych konstrukcji z kątem fali w płaszczyźnie padania 45°. Powlekane struktury są symulowane zarówno za pomocą powłok PEC, jak i powłok stratnych

Rys. 7. Ilustracja rozkładu rozproszonego pola na horyzoncie z wysoką (po lewej) i niską (po prawej) kierunkowością. Obniżona kierunkowość może posłużyć do zwiększenia prawdopodobieństwa dotarcia do wielu zewnętrznych stacji bazowych o nieznanych lokalizacjach

Pomiary na gotowych szybach szklanych
Do pomiarów wykonano różne szyby. Tafle szkła miały wymiary 60 cm x 60 cm i grubość 6 mm.

Siatka FSS, która została wykonana do badań, miała rozmiar komórki jednostkowej 8 mm x 8 mm. Szkło anteny szczelinowej zostało przeprojektowane pod kątem podwójnej polaryzacji, ponieważ te same tafle szkła były również testowane w próbach terenowych, a siatka FSS jest podwójnie spolaryzowana ze względu na symetrię komórki elementarnej.

Tafle szkła zostały najpierw pomierzone w komorze bezechowej przy użyciu Vector Network Analyzer (VNA), a rys. 9a przedstawiono układ pomiarowy. Antena nadawcza podawała sygnał pomiarowy prostopadle do szyby. Po stronie nadawanego sygnału zastosowano dwie anteny odbiorcze. Przedstawiono tutaj wyniki parametru S przy 3,5 GHz.

Tutaj etykieta „S21” pokazuje parametr S dla promienia bezpośrednio propagowanego. Etykieta „S31” pokazuje wynik parametru S dla promienia zakrzywionego, który został zmierzony pod kątem 45°, podobnie do symulacji wzorców RCS.

Rys. 9b przedstawia powlekane szkło z antenami szczelinowymi w układzie pomiarowym. Widoczna jest również antena nadawcza. Zmierzone szkła zostały zamontowane w metalowej ścianie, podobnie jak na rys. 2. Rys. 9c przedstawia metalową komorę, która została zbudowana do testowania tych samych tafli szkła z działającą siecią 5G z dupleksem czasowym (TDD).

Wnętrza komory zostały pokryte absorberami mikrofalowymi w celu wytłumienia niepożądanych odbić, które sprawiłyby, że pomiary byłyby niezwykle wrażliwe na położenie terminala 5G. Ze względu na wnętrze absorbera, komora zachowuje się podobnie jak duża otwarta przestrzeń.

Terminal 5G, który został użyty do pomiarów w terenie, był komercyjnym routerem bezprzewodowym. Ze względu na prostotę konfiguracji testowej, testowany sygnał zawsze docierał przez testowane szkło. Ponadto, ponieważ w pobliżu znajdowała się tylko jedna stacja bazowa 5G, podczas pomiarów nie było przekazywania danych.

Tabela 1 przedstawia wyniki pomiarów dla testów laboratoryjnych i terenowych. Po pierwsze, surowe wyniki parametrów S z pomiarów laboratoryjnych przy 3,5 GHz są podawane dla promienia bezpośredniego (S21) i promienia zagiętego (S31). Jak widać, powlekane szkło użyte w pomiarach miało tłumienie tłumienia transmisji o 23 dB dla fali propagowanej bezpośrednio.

Jednak dla promienia zagiętego (S31) redukcja wyniosła tylko 9 dB, a wynika to z faktu, że w odniesieniu do niepowlekanego szkła typu float ten kierunek wygięcia miał już propagację zerową, jak można by się spodziewać po rys. 6a.

Warto zauważyć, że antena szczelinowa wykazuje o 10 dB większą propagację dla zagiętego promienia (S31) z boku niż niepowlekane szkło. Z drugiej strony, szyba FSS pozostawała w przybliżeniu na tym samym poziomie na promieniu przenikanym z boku, co w przypadku szkła float, co potwierdza symulowane przewidywania kształtów wzoru rozpraszania.

Dla promienia bezpośredniego (S21) FSS pokazał promień tłumiony o 7 dB, a układ anten szczelinowych pokazał promień tłumiony o 17 dB w stosunku do odniesienia z niepowlekanym szkłem float.

Powyższe wyniki są zgodne z symulowanymi przewidywaniami z Rys. 6a, Fig. 6b i Rys. 8, gdzie wykazano, że układ szczelin obniża maksymalne natężenie promienia bezpośredniego poprzez rozprowadzanie energii sygnału na boki.

Zostało to potwierdzone za pomocą analizy konstrukcji/ struktur, które zostały zaprojektowane tak, aby dostarczać w przybliżeniu taką samą moc całkowitą przez szybę. W związku z tym staje się oczywiste, że metoda pomiaru polegająca jedynie na charakteryzowaniu promienia bezpośrednio propagowanego jak na rys. 9a parametrem S21 nie jest wystarczająca do porównania rozwiązań o różnych kształtach wiązek.

W przypadku pomiarów 5G w terenie, metalowa komora została umieszczona około 500 metrów od stacji bazowej, a szklana powierzchnia była skierowana z dala od linii wzroku na stację bazową. Pomiędzy komorą a stacją bazową znajdował się betonowy most najbardziej widoczny na rys. 9c. Wokół miejsca badania znajdowało się również wiele źródeł odbić, więc wszystkie pomiary były wykonywane przy użyciu sygnałów odbitych.

Maksymalna prędkość zastosowanego terminala 5G wynosiła około 400 Mb/s, jak widać na rys. 1a. Maksymalne prędkości zostały osiągnięte w miejscach, w których komora testowa znajdowała się blisko stacji bazowej. W interesującym nas miejscu badania, tj. w odległości 500 m, zmierzona siła sygnału wyniosła -93 dBm przez niepowlekane szkło float.

Dlatego obszar operacyjny znajdował się mniej więcej pośrodku wykresu zmierzonej prędkości z rys. 1a. Przy tych poziomach mocy sygnału prędkości osiągalne z terminalem wynosiły około 200 Mb/s.

Tabela 1 pokazuje, że terminal 5G sygnalizował podobne poziomy tłumienia dla sieci FSS i dla macierzy anten szczelinowych, pomimo dużych różnic w fizycznych obszarach odbioru tych dwóch rozwiązań.

Terminal 5G sygnalizował tłumienie 9 dB dla sygnału 3,5 GHz zarówno z FSS, jak i anteną szczelinową, co sugeruje, że charakterystyka całkowitej mocy przesyłanej przez półkulę 3D zapewnia bardziej wiarygodny punkt odniesienia do porównywania różnych rozwiązań i prognozowania doświadczenia użytkownika końcowego.

2021 01 43 8

Rys. 8. Po lewej: mapa rozproszenia 2D siatki FSS nad horyzontem. Po prawej: mapa rozproszenia 2D układu anten szczelinowych nad horyzontem. Górny rząd przedstawia rozproszenie z bezpośrednim padaniem, a dolny rząd przedstawia rozproszenie z pośrednim padaniem. W przypadku FSS kąt azymutu 20° pokrywa 90% całej mocy dostarczanej do horyzontu, a przy pomocy anten szczelinowych ten sam kąt bryłowy zawiera 26% mocy

Tabela 1. Wyniki pomiarów z komory bezechowej i prób terenowych 5G

Dyskusja i przyszłe badania
Z przeprowadzonych badań wynika, że z punktu widzenia użytkownika końcowego, całkowita przesyłana moc i szerokość wiązki w płaszczyźnie poziomej są podstawowymi właściwościami, które należy scharakteryzować dla, przezroczystych dla sygnału, materiałów konstrukcyjnych.,

Te właściwości mogą wskazywać na duże różnice między różnymi rozwiązaniami. Tradycyjna metoda pomiaru strat transmisji z dwiema antenami przylegającymi do siebie opiera się na założeniu, że większość energii sygnału rozchodzi się jako promień bezpośredni. Przykład z anteną szczelinową pokazał jednak, że kiedy struktura jest dyfrakcyjna, znaczna część przenikniętej mocy sygnału jest przekierowywana z dala od kierunku bezpośredniego promienia.

W przypadku charakteryzowania konstrukcji przezroczystej dla sygnału należy scharakteryzować zarówno rozkład mocy sygnału w przestrzeni przesyłowej, jak i wielkość całkowitej przesyłanej mocy. Wykazano, że przekrój poprzeczny radaru bistatycznego jest użytecznym narzędziem do analizy różnych materiałów konstrukcyjnych przezroczystych dla sygnału. Można to wykorzystać do analizy efektywności pokrycia na horyzoncie, ale także do oszacowania poziomów mocy odbieranej na horyzoncie w połączeniu z bilansem radaru.

Przyszłe badania obejmują analizę tafli szkła jako równoważnych obszarów, w których równoważny obszar jest określany na podstawie całkowitych całek mocy 3D na transmitowanej półkuli. Gdy łączne transmitowane moce różnych rozwiązań są odniesione do równoważnych powierzchni (tj. metrów kwadratowych) otwartych otworów, które zapewniają równe moce, architekci mogą mieć przydatne narzędzia do określania penetracji/przenikania sygnału dla fasad za pomocą intuicyjnych środków – otworów w ścianie o równoważnych rozmiarach.

2021 01 43 9a

2021 01 43 9c

Rys. 9. Konfiguracja do pomiarów szkła (a) i próbka szkła z antenami szczelinowymi w komorze bezechowej (b) oraz zdjęcie testu polowego 5G z tym samym szkłem (c)

Wnioski

Przenikanie sygnału 3,5 GHz przez różne rozwiązania z użyciem szkła przeanalizowano za pomocą symulacji i pomiarów. Obliczono całkowitą moc przenikającą przez tafle szklane i porównano ją z pomiarami VNA. Wykazano, że bezpośredni pomiar promieni za pomocą dwóch anten typu „face-to-face” nie pozwala na scharakteryzowanie właściwości różnych rozwiązań przy różnych wzorcach rozpraszania.

Obliczenie całkowitej mocy dostarczanej przez testowane apertury dostarczyło bardziej realistycznych prognoz dotyczących wydajności w terenie niż bezpośrednie testowanie promieni za pomocą VNA.

Bistatyczny RCS zastosowano do analizy wzorców rozpraszania pod dwoma różnymi kątami dla padającej fali. Okazało się, że geometria apertury odgrywa dominującą rolę we właściwościach rozpraszania.

Zauważono, że geometria bezpośrednio koncentruje energię przenikniętego sygnału do wąskiej wiązki. Szerokość wiązki 3 dB bistatycznego RCS wynosiła 8° dla otwartej apertury referencyjnej, 8° dla powlekanego szkła z siatką FSS i 80° dla powlekanego szkła z anteną szczelinową.

Testy poligonowe (w terenie) dla różnych rozwiązań wykazały podobne poziomy mocy odbieranej z komercyjnym routerem 5G. Porównywane struktury zostały zaprojektowane dla podobnych poziomów całkowitej mocy przesyłanej.

(...)

Juha Lilja
StealthCase Oy

Artykuł został oparty na wykładzie zaprezentowanym na Konferencji GLASS PERFORMANCE DAYS 2019, która odbyła się w dniach 26-28 czerwca 2019 r. Tampere w Finlandii

Bibliografia
[1] G. I. Kiani, A. Karlsson, L. Olsson, K. P. Esselle, ”Glass Characterization for Designing Frequency Selective Surfaces to Improve Transmission through Energy Saving Glass Windows”, APMC, 11-14 Dec. 2007

[2] G. I. Kiani, K. P. Esselle, A. Karlsson, K. P. Esselle, ”Transmission of infrared and visible wavelengths through energy-saving glass due to etching of frequency-selective surfaces”, IET Microw. Antennas Propag., Vol. 4, Iss. 7, pp. 955-961, 2010

[3] S. Sohail, G. I. Kiani, K. P. Esselle, ”Enhancing RF/microwave efficient transmission through energy saving glass windows using Frequency Selective surface”, APSURSI, 3-8 July 2011

[4] A. K. Dominek, L. Peters JR., “RCS measurements of small circular holes”, IEEE transactions on antennas and propagation, Vol. 36, No. 10, Oct. 1988.

patrz też:

- Laser – narzędzie do obróbki szkła , Thomas Rainer

- Szkło przyjazne dla urządzeń mobilnych , Juha Lilja, Świat Szkła 01/2021

- Szkło umożliwiające korzystanie z telefonii komórkowej dzięki uszlachetnianiu laserem , Świat Szkła 02/2020

- Efektywność energetyczna jest trucizną dla łączności wewnątrz pomieszczeń , Świat Szkła 9/2019

- Mobile-Friendly Glass – Comparing Solutions from the End User Viewpoint , Juha Lilja, Świat Szkła 09/2019

- Grupa HEGLA zaprezentuje się na targach VITRUM, podkreślając aspekt wydajności , Świat Szkła 09/2019

- Uszlachetnianie szkła laserem na miarę indywidualnych potrzeb , Carsten Koch, Świat Szkła 02/2019

- Znakowanie laserowe: delikatne na szkle, trwałe, czytelne , Carsten Koch, Świat Szkła Wydanie 06/2018

- Grawerunki laserowe chronią ptaki przed śmiercią , Thomas Rainer, Świat Szkła 08/2016