De hoeveelheid mobiel dataverkeer neemt in rap tempo toe, en het einde van die trend is nog niet in zicht: in 2022 wordt naar verwachting zeven keer zoveel data over mobiele netwerken getransporteerd als in 2017. Om die gigantische stroom van bits door de lucht te kunnen blijven sturen, is het noodzakelijk om steeds meer verschillende frequenties te benutten, en toekomstige generaties smartphones moeten daarop worden aangepast.

De meeste smartphones bevatten een handvol antennes, voor WiFi, bluetooth, GPS en 4G, noodgedwongen weggewerkt in verloren hoekjes van het apparaat, bijvoorbeeld ingeklemd tussen het moederbord en de behuizing. Het inpassen van antennes die overweg kunnen met alle frequenties voor 5G, de volgende standaard voor mobiel dataverkeer, is alleen daarom al geen sinecure.

“De huidige smartphones kunnen vaak al switchen tussen enkele tientallen frequenties”, vertelt Sander Bronckers, die afgelopen maand cum laude promoveerde bij Electrical Engineering. “Dat gebeurt met een breedbandantenne in combinatie met diverse frequentiefilters.” Dat is echter niet zo’n flexibele oplossing, legt hij uit, omdat je dan bij voorbaat vastzit aan precies die frequenties die door de geïnstalleerde filters worden doorgelaten. “Daarnaast zijn die filters betrekkelijk duur en verbruikt deze oplossing relatief veel energie.” Van dat laatste is de gebruiker de dupe door een snel leeglopende batterij.

Instelbaar

Bronckers onderzocht daarom een alternatieve oplossing, waarbij het antennesysteem van de smartphone met behulp van een reeks instelbare condensatoren flexibel wordt afgestemd op de te ontvangen en verzenden frequenties. “De gedachte is dat je minder verliezen hebt als je meer van die condensatoren gebruikt”, legt hij uit. “De moeilijkheid is alleen dat het doorrekenen van een systeem met meerdere componenten te veel tijd kostte met de bestaande methoden.”

Om toch de juiste instellingen te kunnen vinden voor de condensatoren, keek Bronckers alleen naar de verliezen in die componenten zelf. “De truc daarbij is dat je onderscheid maakt tussen de goede oplossingen en instellingen waarbij lokale resonanties optreden waardoor de antenne niet goed straalt.” Het resultaat van zijn model lijkt veelbelovend: in een eerste run kwam hij al tot een verdubbeling van de efficiency ten opzichte van de antennes in de smartphone die hij als referentie gebruikte.

Dummyhoofd

Maar dat is niet het einde van het verhaal: een telefoon mag dan in theorie in de lege ruimte een goede ontvangst hebben, in de praktijk heeft de directe omgeving - zoals het lichaam van de gebruiker - een aanzienlijke invloed. Om die reden worden telefoonantennes uitgebreid doorgemeten in speciale meetkamers, in aanwezigheid van dummy’s. “Bij een Zwitsers bedrijf kun je hiervoor bijvoorbeeld dummyhoofden bestellen, gevuld met een gel met de juiste elektromagnetische eigenschappen om een mensenhoofd te simuleren.”

Ook hier trad Bronckers, die inmiddels universitair docent is bij EE, buiten de gebaande paden. “Dergelijke metingen vinden traditioneel plaats in anechoïsche of ‘dode’ kamers, zonder elektromagnetische reflecties. Dat is nu eenmaal hoe je het best stralingspatronen kunt meten. Maar het vaststellen van antenne-efficiency werkt eigenlijk veel beter in een reverberation room, met maximale reflecties (in de akoestiek bekend als ‘galmkamer’,  red.).”

In een dode kamer moet je de telefoon plus dummy namelijk rond bewegen om van alle hoeken te kunnen meten, met als nadeel dat je een soort beweegbare sokkel nodig hebt die de metingen beïnvloedt. In een galmkamer is dat niet nodig, omdat daar een uniforme verdeling van het elektromagnetisch veld kan worden gecreëerd door het bewegen van grote metalen objecten (zogeheten paddles). “Door alle reflecties meet je min of meer van nature al van alle kanten, waardoor je de dummy niet hoeft te bewegen, en je hem gewoon op een stuk schuimrubber kunt leggen waar je geen last van hebt.” De komende tijd zal Bronckers zich als universitair docent vooral richten op het perfectioneren van dergelijke meettechnieken.