23-09-2017 18:23:12

Hvordan designer man antenner til wearables?

Wearables-revolutionen er her, og vi køber smartwatches, sko med GPS og smykker der tracker din sundhed. Det stiller store krav til de små trådløse antenner, der skal koble alle de små dimser til internettet.
14. apr. 2016 Af Katja Isabel Romme Simonsen
Antenner til wearables skal kunne fungere i nærheden af en menneskekrop.
Antenner til wearables skal kunne fungere i nærheden af en menneskekrop.

Den teknologiske udvikling går mod miniaturisering og integration af elektroniske komponenter, og der bliver udviklet flere små bærbare enheder: Wearables.

Disse wearables skal være trådløse og kommunikere mellem forskellige enheder, og bliver de små enheder små nok, kræver det en specieldesignet antenne.

Søren Kvist, Ph.D, fra GN Resound har stor erfaring med antenner til wearables og ved, hvad det kræver at designe antenner til wearables som høreapparater.  

”Høreapparater er meget kompakte, små og tæt på kroppen, hvilket gør det udfordrende at udvikle en velfungerende antenne. Hvis ikke antennen er tænkt ind i høreapparatets konstruktion, vil den ikke virke,” siger han.

Når antenner skal designes til wearables, er det vigtigt, at antennerne kan fungere i nærheden af en menneskekrop, da menneskekroppen påvirker antennen.

”Det er sådan med antenner, at når man introducerer et tabsholdigt dielektrisk materiale (red. materiale som ikke leder elektrisk strøm, men fungerer som en isolator, hvis elektriske felt befinder sig i selve materialet) i deres elektriske nærfelt, så ændres tilpasningen til radiokredsløbet samt antennens udstråling, herunder effektiviteten. Samlet set betyder det, at den trådløse rækkevidde af et produkt, hvor antennen ikke er designet til at befinde sig på kroppen, vil reduceres drastisk, så snart produktet anvendes i praksis,” forklarer Søren Kvist.

Enheder skal kommunikere med hinanden 

Et eksempel på en antenne, som ikke var designet til at befinde sig tæt på kroppen, er iPhone 4. Apple fik hug for at have en ringe antenne, selvom en smartphone i princippet ikke er en wearable teknologi. 

”Det er vigtigt at specialdesigne antenner til wearables, når de forventes at skulle indgå i et “wireless body area network” (WBAN), hvor flere enheder skal kommunikere med hinanden, mens de sidder på kroppen,” siger Søren Kvist.

Søren Kvist nævner, at man eksempelvis kan opfatte kombinationen af en smartphone og et smartwatch som et WBAN. Her kan man tilføje en pulsmåler på brystet og en skridttæller i skoen, hvis man er ude at løbe. 

”Smartphonen er hjertet i netværket, og de tre andre enheder vil forsøge at kommunikere trådløst med den som adgangsport til internettet. I denne situation er det nødvendigt, at antennerne er designet til primært at sende langs kroppens overflade. Det elektriske felt skal være orienteret på en sådan måde, at det bedst muligt fortsætter med at udbrede sig langs kroppens overflade,” forklarer han. 

Begrænsninger ved små antenner

Et høreapparat eller et ur, der skal indeholde en antenne, kræver særlige størrelsesforhold. Antennen skal tilpasses til en wearables størrelse, hvilket kan være en udfordring. 

”Antenners funktion er fra naturens side begrænset. Det er en afvejning af antennens størrelse ifht. bølgelængden af signalet mod effektivitet, båndbredde og retningsbestemthed. Dermed er der sådan set ingen grænse for, hvor lille en antenne man kan lave. Jo mindre antennen er, jo mindre effektiv vil den være i forhold til retningsbestemmelse og båndbredde ,” siger Søren Kvist.

Det er derfor, radioteleskoper er store, og netværksdækningen i smartphones er dårligere end i en gammel Nokia, idet antennerne i moderne telefoner har veget pladsen for andre tilføjelser.

”2.4GHz frekvensbåndet er meget anvendt over hele verden, både WIFI og Bluetooth, og det er derfor i praksis 2.4GHz antenner, man p.t. skal klemme i produktet. Bølgelængden er 123mm, og begrænsningerne slår derfor for alvor ind, når antennen bliver mindre end ca. 40mm. Dette vil være tilfældet for de fleste wearables, som man vil forsøge at designe så små og kompakte som muligt. Resultatet vil være, at man let risikerer at ende med en antenne, der ikke er ret effektiv, hvilket vil betyde en reduceret rækkevidde,” forklarer han. 

Antenner koblet til IoT

Wearables forventes i vid udstrækning at kunne indgå i ”internet of things”, der formentlig består af op mod 50 mia. enheder i 2020. Og nogle wearables er bedre egnet til det end andre. 

”Indenfor wearables er bluetooth low energy et godt bud på en protokol, der kan forbinde mindre enkelte enheder med en større og dyrere gateway-enhed. I hjemmet er bluetooth eller WiFi nok også oplagte til at forbinde køleskabet og vaskemaskinen, da infrastrukturen allerede er der. Udendørs, hvor der ikke er WiFi, er et 5G netværk designet til formålet også oplagt, ” mener Søren Kvist.

Antenner kan bruges til andet end wearables, og forskere er i gang med at udforske områder, hvor man med fordel kan anvende antenner.

”Der foregår forskning inden for antenner, hvor man i dag anvender trådløs kommunikation. Eksempelvis satellitantenner der er flade i stedet for parabolformede, og smartphoneantenner der bedre kan sikre brugeren netværksdækning, ” siger Søren Kvist.

Hvis du har lyst til at høre mere om antenner til wearables, kan du høre Søren Kvist holde oplæg d. 19 april i Ingeniørhuset, og deltagerne vil få et særligt indblik i antenneteknologien, som mange tager for givet.

”Deltagerne vil få en ide om, hvordan antenner generelt fungerer, deres begrænsninger samt hvordan de optimeres til at virke tæt på kroppen, med udgangspunkt i høreapparater,” slutter han.


Deltag i debatten

IT - artikler og arrangementer

Nyeste IT-job fra Jobfinder

luk
close