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Einführung
Das Konzept des vernetzten Hauses umfasst viele "intelligente" Aspekte wie Lautsprecher, Thermostate, Türklingeln und Kameras. In diesem Beispiel wird die von der XFdtd EM-Simulationssoftware simulierte Leistung einer allgemeinen ferngesteuerten Kamera für die Videoüberwachung im Haus zur Sicherheitsüberwachung erörtert. Die Kamera ist für den Anschluss an ein WiFi-System vorgesehen, das die Standards 802.11 a/b/g/n/ac/ax bei Frequenzen von 2,4, 5 und 6 GHz abdeckt und zwei konforme Multiband-Antennen zur Übertragung des hochauflösenden Videos enthält.
Geräteentwurf und Simulation
Das generische Kameradesign verwendet zwei konforme Multiband-Antennen, die sich um die Innenfläche des Kameragehäuses wickeln. Die Antennen sind so ausgelegt, dass sie die Frequenzen 2,4, 5 und 6 GHz abdecken, und können phasengesteuert werden, um die Antennenmuster für eine maximale Abdeckung zu lenken. Zusätzlich zu den Antennen gibt es Montagestrukturen, Leiterplatten, Kamerachips und das Objektiv, die in diesem einfachen Modell als Blockteile dargestellt sind. Abbildung 1 zeigt eine dreidimensionale CAD-Ansicht der Kamera, bei der eines der Antennenelemente durch das durchsichtige Gehäuse der Kamera sichtbar ist. Die gesamte Kamera füllt einen Raum von etwa 70x70x70 mm aus. In Abbildung 2 ist eine detailliertere Ansicht eines der Antennenelemente zu sehen, die die Krümmung des Elements zeigt, um sich an die Innenwand des Kameragehäuses anzupassen. Die Antenne wurde so abgestimmt, dass sie eine angemessene Rückflussdämpfung von weniger als -10 dB bei den gewünschten Frequenzen von 2,4, 5 und 6 GHz aufweist (siehe Abbildung 3). Die Krümmung der Antenne, um in das Gehäuse zu passen, hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung der Antenne und macht die Abstimmung der Antenne in ihrer endgültigen Konfiguration zu einer Notwendigkeit.
Abbildung 1: Eine dreidimensionale Ansicht eines generischen ferngesteuerten Kamerageräts, bei dem die internen Antennengruppen teilweise durch die Abdeckung sichtbar sind.
Abbildung 2: Eine der beiden identischen Multiband-Antennen in der abgesetzten Kamera.
Abbildung 3: Die Rückflussdämpfung der Multiband-Antenne zeigt wie gewünscht eine gute Leistung bei 2,4, 5 und 6 GHz.
Die Verstärkungsmuster der Antennen sind auf die Seiten und den vorderen Teil der Kamera ausgerichtet. Die Muster der beiden unabhängig voneinander arbeitenden Antennen sind in Abbildung 4 bei 2,4 GHz, in Abbildung 5 bei 5 GHz und in Abbildung 6 bei 6 GHz dargestellt, wobei die Vorderseite der Kamera mit dem Objektiv in allen Bildern dem Betrachter zugewandt ist. Die Spitzenverstärkung der einzelnen Elemente reicht von etwa 3 dBi bei 2,4 GHz bis fast 7 dBi bei 5 GHz. Bei 2,4 GHz ist das Muster recht breit, während das Muster bei den höheren Frequenzen komplexer ist und einige Keulen aufweist.
Abbildung 4: Die Gewinnmuster der beiden Antennen bei 2,4 GHz zeigen zwei breite Keulenmuster, die die Hälfte des Geräts abdecken. Die Ausrichtung des Bildes ist direkt auf die Vorderseite der Kamera gerichtet.
Abbildung 5: Die Gewinnmuster der beiden Antennen bei 5 GHz zeigen zwei schmalere Muster mit hohem Gewinn normal zur Antenne. Die Ausrichtung des Bildes ist direkt auf die Vorderseite der Kamera gerichtet.
Abbildung 6: Die Gewinnmuster der beiden Antennen bei 6 GHz zeigen Mehrfachkeulenmuster, die den größten Teil der azimutalen Ebene des Geräts abdecken und eine Keule aufweisen, die in die Vorwärtsrichtung der Kamera zeigt. Die Ausrichtung des Bildes ist direkt auf die Vorderseite der Kamera gerichtet.
Da die Kamera in beliebiger Ausrichtung montiert werden kann, ist es wünschenswert, dass sie den gesamten Winkelbereich abdeckt. Da die allgemeine Kamera jedoch einige interne Teile wie Leiterplatten und Stützstrukturen enthält, ist die Verstärkung auf der Rückseite der Kamera reduziert. Mithilfe der Array-Optimierungsfunktionen in XFdtd kann die Leistung der Arrays bestimmt werden, um eine möglichst vollständige Abdeckung zu erreichen. In Abbildung 7 ist das Max-Hold-Muster für die beiden Antennen bei 2,4 GHz berechnet, das einen guten Gewinn in der Vorwärtsrichtung und um die azimutale Ebene herum zeigt. In Abbildung 8 zeigt das Max-Hold-Diagramm bei 5 GHz starke Nebenkeulen an den Seiten der Antenne und einen reduzierten, aber positiven Gewinn in Vorwärtsrichtung. Bei 6 GHz, dargestellt in Abbildung 9, zeigt das Max-Hold-Diagramm einen starken Gewinn in Vorwärtsrichtung und einen geringeren Gewinn zu den Seiten hin. Die Abbildungen 7, 8 und 9 zeigen die Muster mit der in Abbildung 1 gezeigten Kameraausrichtung.
Abbildung 7: Das maximale EIRP-Muster der beiden Antennen bei 2,4 GHz zeigt eine breite Abdeckung über den vorderen Bereich der Kamera. Die Ausrichtung der Kamera im Bild ist identisch mit der in Abbildung 1 gezeigten.
Abbildung 8: Das maximale EIRP-Diagramm der beiden Antennen bei 5 GHz zeigt eine hohe Gewinnabdeckung senkrecht zur Antennenebene in azimutaler Richtung. Die Ausrichtung der Kamera im Bild ist identisch mit der in Abbildung 1 gezeigten.
Abbildung 9: Das maximale EIRP-Muster der beiden Antennen bei 6 GHz zeigt einen starken Gewinn in Vorwärtsrichtung und eine nahezu gleichmäßige Abdeckung in Azimutalrichtung. Die Ausrichtung der Kamera im Bild ist identisch mit der in Abbildung 1 gezeigten.
Durch die Erstellung einer kumulativen Verteilungsfunktion der EIRP ist es möglich, die maximale Abdeckung über den gesamten dreidimensionalen Bereich, der das Gerät umgibt, zu berechnen. In Abbildung 10 zeigt das CDF-Diagramm der EIRP, dass für alle möglichen Phasenbeziehungen der Elemente bei 2,4 GHz eine positive Verstärkung für etwa 67 % der Richtungen möglich ist. Bei 5 GHz weist die in Abbildung 11 dargestellte CDF-Darstellung eine Abdeckung von knapp über 60 % mit positiver Verstärkung auf. Bei 6 GHz schließlich zeigt Abbildung 12, dass für fast 70 % der Richtungen eine positive Verstärkung möglich ist.
Abbildung 10: Die CDF des EIRP-Plots für die beiden Antennen bei 2,4 GHz zeigt einen positiven Gewinn für etwa 67 % der Richtungen.
Abbildung 11: Die CDF des EIRP-Plots für die beiden Antennen bei 5 GHz zeigt einen positiven Gewinn für etwa 60 % der Richtungen.
Abbildung 12: Die CDF der EIRP-Darstellung für die beiden Antennen bei 6 GHz zeigt einen positiven Gewinn für etwa 70 % der Richtungen.
Schlussfolgerung
Die Aufrechterhaltung eines guten Kontakts mit einem entfernten Gerät wie einer Kamera ist ein entscheidendes Merkmal eines vernetzten Heimsystems. Dieses generische Kameradesign wurde mit XFdtd evaluiert und weist für über 60 % der Richtungen bei drei Frequenzen mindestens eine positive Verstärkung auf, wobei die Spitzenverstärkung fast 7 dBi beträgt. Dies sollte eine angemessene Konnektivität für die meisten Installationskonfigurationen bieten.
