In diesem Beispiel wird eine Bewertung der Leistungsänderungen wie Strahlungsdiagramm, Rückflussdämpfung, Impedanz und Effizienz eines vereinfachten Mobiltelefons durchgeführt, das von einem detaillierten Männermodell an der Hüfte getragen wird. Bei dem verwendeten Telefon handelt es sich um ein fiktives Klapptelefon in geschlossener Position, das hauptsächlich aus einer Grundplatte mit einer Dreibandantenne besteht, die auf eine geringe Rückflussdämpfung bei 1,9 GHz abgestimmt ist. Das Menschenmodell basiert auf dem Visible Human Project-Männchen und wird durch ein 5 mm großes würfelförmiges Netz mit für 1,9 GHz angepassten Materialparametern beschrieben. Das menschliche Modell wird in verschiedene Posen gebracht, um zunächst einen gehenden Mann zu simulieren und dann die Auswirkungen verschiedener Armstellungen auf das Telefon zu zeigen.
Das vereinfachte Mobiltelefon wird an der rechten Hüfte des Körpers positioniert, um eine am Gürtel getragene Situation zu simulieren, in der das Telefon die Haut des Körpers nicht berührt (siehe Abbildung 1). Aufgrund der detaillierten Beschaffenheit des Telefons ist eine viel feinere Auflösung des FDTD-Netzes erforderlich als die 5 mm, die für den Körper verwendet wurden. Detaillierte Netzbereiche mit einer Größe von 0,1667 mm werden verwendet, um eine gut definierte Auflösung des Telefons zu gewährleisten. Mit dem Softwareprodukt VariPose werden dann die Gliedmaßen des Körpers in die verschiedenen Positionen gebracht, und die Feldsimulationen werden mit XFdtd durchgeführt.
Abbildung 1: Das in grau dargestellte Mobiltelefon, das an der Hüfte getragen wird, liegt neben dem VariPose-Körpernetz für Männer.
Als erstes Beispiel wird der Mann in drei Gehpositionen gebracht, in denen die Arme und Beine für einen Schritt mit dem linken und rechten Fuß nach vorne und einer neutralen Position dazwischen positioniert sind. Die erste Position mit dem linken Fuß nach vorn ist in Abbildung 2 dargestellt, die neutrale und die rechte Fußstellung in den Abbildungen 3 und 4. In allen Fällen bleibt das Telefon im Raum hängen und berührt weder die Hüfte noch den Arm, aber wie zu sehen ist, kommt der Arm in zwei der Posen dem Telefon nahe. In Position 1 (Abbildung 5) befindet sich der rechte Arm vor dem Telefon, und das vom Telefon erzeugte Strahlungsmuster zeigt die höchste Verstärkung auf der rechten Seite des Körpers.
Abbildung 2: Position 1 des gehenden Mannes wird mit dem linken Fuß nach vorne und dem rechten Arm vor der Telefonposition gezeigt.
Abbildung 3: Position 2 des schreitenden Mannes wird gezeigt, bei der sich der Mann in einer neutralen Position befindet, bei der keines der Beine nach vorne zeigt und die Arme an den Seiten herunterhängen.
Abbildung 4: Position 3 des gehenden Mannes, bei der der rechte Fuß nach vorne und der rechte Arm nach hinten gerichtet ist, aber immer noch einen Großteil des Telefons bedeckt.
Abbildung 5: Das Verstärkungsmuster für den gehenden Mann Position 1, wo das Verstärkungsmuster zur Seite des Körpers hin am stärksten ist.
Wenn der rechte Arm in den Positionen 2 und 3 (Abbildungen 6 und 7) wieder näher an das Telefon herangeführt wird, nimmt der Gewinn der Antenne ab und wird in die Vorwärts- und Rückwärtsrichtung gelenkt. Die Rückflussdämpfung und die Impedanz werden durch die verschiedenen Körperpositionen kaum beeinflusst; der Wirkungsgrad sinkt jedoch in den beiden Fällen, in denen sich der Arm in der Nähe des Telefons befindet, erheblich, wie in Tabelle 1 dargestellt. Die Verstärkungsdiagramme für alle drei Positionen werden zusammen für den horizontalen Fall (Abbildung 8) und den vertikalen Fall (Abbildung 9) aufgezeichnet, wobei der vertikale Schnitt durch den Querschnitt des Körpers von rechts nach links verläuft. In Abbildung 8 ist der Körper in Richtung 0 Grad ausgerichtet und das Telefon befindet sich in einem Winkel von 90 Grad. In Abbildung 9 befindet sich die Hüfte mit dem Telefon ebenfalls im 90-Grad-Winkel.
Tabelle 1.
Abbildung 6: Das Verstärkungsmuster für den gehenden Mann Position 2, bei dem der Arm die Strahlung des Telefons blockiert und das Muster geteilt ist, wobei die Spitzenverstärkung nach hinten verschoben ist.
Abbildung 7: Das Verstärkungsmuster für die Gehposition 3, bei der der rechte Arm immer noch das Telefon abdeckt. Das Muster ist ähnlich wie bei der neutralen Position 2, da sich der Arm in einer ähnlichen Position befindet.
Abbildung 8: Das planare Verstärkungsmuster in der horizontalen Ebene für die drei Positionen des gehenden Mannes. In der Darstellung ist der Mann in Richtung 0 Grad ausgerichtet und das Telefon befindet sich in einem Winkel von 90 Grad.
Abbildung 9: Das planare Verstärkungsmuster in einem vertikalen Schnitt, der den Mann von einer Seite zur anderen durchquert, wobei sich das Telefon im 90-Grad-Punkt befindet
Bei der ersten Übung wurde deutlich, dass die Armstellung einen großen Einfluss auf die Handyantenne hat. In einem zweiten Beispiel wird die Position des rechten Arms durch eine Reihe von elf Positionen in 10-Grad-Schritten bewegt, um die Auswirkungen auf die Antennenleistung zu messen. Die Bewegung des Arms im Verhältnis zum Telefon ist in Abbildung 10 dargestellt, wo alle elf Positionen angezeigt werden.
Abbildung 10: Abgebildet sind die elf Positionen des beweglichen Arms, die bei den Simulationen verwendet wurden.
Die Bewegung des Arms hat einen großen Einfluss auf die Leistung des Telefons, insbesondere auf das Verstärkungsmuster. In Abbildung 11 ist das Verstärkungsmuster für den Arm in der am weitesten zurückliegenden Position (Position 1) dargestellt, und die Spitzenverstärkung liegt seitlich vom Körper. In Abbildung 12 befindet sich der Arm in Position 4, und das Verstärkungsmuster ist deutlich anders, wobei die Spitzenverstärkung zur Körpervorderseite zeigt. In der in Abbildung 13 gezeigten Position 10, in der der Arm fast vollständig nach vorne gestreckt ist, zeigt das Verstärkungsmuster wieder einen Spitzenwert zur Seite des Körpers. In Abbildung 14 sind die Verstärkungsmuster aller elf Positionen zusammen dargestellt, wobei der weiße Pfeil die Richtung der Spitzenverstärkung anzeigt. Es wird deutlich, dass sich die Form und die Pegel des Musters mit der Bewegung des Arms erheblich ändern. Die Verstärkung in der horizontalen und vertikalen Ebene ist zum Vergleich in den Abbildungen 15 und 16 als Liniendiagramm dargestellt.
Abbildung 11: Das Verstärkungsdiagramm für den Arm in Position 1, der sich auf der Rückseite befindet. Der Arm ist dem Strahlungsdiagramm größtenteils aus dem Weg, und die Spitzenverstärkung liegt seitlich vom Körper.
Abbildung 12: Das Verstärkungsmuster für den Arm in Position 4, wo die Strahlung des Telefons blockiert ist. Hier liegt der Spitzengewinn vor dem Mann.
Abbildung 13: Das Verstärkungsmuster für Position 10, bei der sich der Arm hauptsächlich vor dem Telefon befindet. Das Muster ist immer noch beeinflusst, aber die Spitzenverstärkung liegt wieder seitlich vom Körper.
Abbildung 14: Dargestellt sind alle elf Verstärkungsmuster für die verschiedenen Armstellungen zusammen. Die Pfeile zeigen die Richtung der Spitzenverstärkung an, die sich mit der Armstellung deutlich verschiebt.
Abbildung 15: Dargestellt ist die planare Liniengrafik der Verstärkungsmuster für alle elf Fälle in der horizontalen Ebene. Hier ist der Mann auf den 0-Grad-Punkt ausgerichtet und das Telefon auf den 90-Grad-Punkt.
Abbildung 16: Dargestellt ist die planare Liniengrafik der Verstärkungsmuster für alle elf Fälle in einer vertikalen Ebene, die den Mann von einer Seite zur anderen kreuzt. Das Telefon befindet sich im 90-Grad-Punkt.
Beim Vergleich der Werte für Rückflussdämpfung und Impedanz am Einspeisepunkt hat die Bewegung des Arms kaum Auswirkungen. Eine Zusammenfassung der Werte für alle Armpositionen ist in Tabelle 2 dargestellt. Der Systemwirkungsgrad variiert ebenfalls nur geringfügig über alle Armpositionen hinweg, mit Ausnahme von Position 5, wo sich der Arm direkt über dem Telefon befindet und der Wirkungsgrad deutlich abfällt.
Tabelle 2.
Diese Reihe von Beispielen hat gezeigt, wie die Softwareprodukte VariPose und XFdtd zusammen verwendet werden können, um die Leistung von Geräten, in diesem Fall eines Mobiltelefons, in der dynamischen Umgebung des sich bewegenden menschlichen Körpers zu analysieren.
