Einführung
In diesem Antennendesign-Beispiel wird eine Dualband-Antenne aus textilem Material für den Einsatz in einer am Körper getragenen Anwendung bewertet. Der Entwurf und die Bewertung stammen aus einem veröffentlichten Zeitschriftenartikel [1]. Die Basisantenne besteht aus einem rechteckigen Patch aus Textilmaterial, das mit einem leitenden Band überzogen ist. Der Patch hat Kurzschlusswände und ein Abstimmungskanal, um die Leistung zu verbessern und Dual-Band-Ergebnisse zu erzielen. Da die Antenne flexibel ist, wird sie sowohl in flachem als auch in gebogenem Zustand simuliert, um die Auswirkungen auf die Leistung zu messen. Die Abstrahlung der Antenne über ein Körperphantom wird durchgeführt, um zu bestätigen, dass die Werte für die spezifische Absorptionsrate (SAR) akzeptabel sind. Für den Einsatz in MIMO-Anwendungen wird der Patch in Arrays unterschiedlicher Konfigurationen gepaart und bewertet.
Geräteentwurf und MIMO-Antennensimulation
Einzelne Antenne - flach
Diese MIMO-Antennensimulation konzentriert sich auf ein flexibles Dualband-Patch-Antennendesign aus textilem Material für den Einsatz in einer am Körper getragenen Anwendung. Das grundlegende Antennendesign des Patches ist in Abbildung 1a (Draufsicht) und 1b (Winkelansicht) dargestellt. Der Patch ist rechteckig und besteht aus einer 3 mm dicken Filzschicht, die als Substrat dient und mit einer dünnen Schicht eines flexiblen, leitfähigen Bandes bedeckt ist. Zwei benachbarte Seiten des Substrats sind mit Kurzschlusswänden versehen, um die Isolierung zwischen benachbarten Elementen bei Verwendung als Teil eines Arrays zu unterstützen. Im Substrat befindet sich ein Durchgang, der es ermöglicht, die Resonanzmoden des Hohlraums zu verändern, um eine Zweibandleistung zu erzielen. Die Entwurfsparameter und Leistungstests entsprechen denen in der Veröffentlichung [1].
Abbildung 1: Die Geometrie der Patch-Antenne ist von oben (links, 1a) und im Winkel (rechts, 1b) dargestellt. Die koaxiale Einspeisung und das Via sind als große und kleine Kreise auf der Oberseite des Patches sichtbar. Die -X- und -Y-Seiten des Patches sind mit der Grundplatte kurzgeschlossen.
Die ursprüngliche Patch-Antenne wird in XFdtd simuliert, und die Rückflussdämpfung ist in den Bändern um 2,5 GHz und 5,5 GHz akzeptabel, wobei bei der höheren Frequenz ein breiteres Band gefunden wurde (Abbildung 2). In Abbildung 3 ist das stationäre Magnetfeld über der Oberfläche des Patches bei verschiedenen Frequenzen dargestellt. In Abbildung 3a ist die erste Mode bei 2,45 GHz zu sehen. Weitere Moden sind bei 5,2 GHz (Abbildung 3b) und 5,8 GHz (Abbildung 3d) sichtbar. Abbildung 3c zeigt die H-Felder bei 5,5 GHz. Das Verstärkungsmuster des Patches ist kugelförmig (Abbildung 4) und hat einen Spitzenwert von etwa 3,4 dBi bei 2,45 GHz und 6,7 dBi bei 5,5 GHz.
Abbildung 2: Die Rückflussdämpfung für das einzelne Patch zeigt eine tiefe Nulllinie um 2,5 GHz und zwei flachere Nulllinien um 5,4 und 5,8 GHz, die einen breiteren Betriebsbereich in den höheren Frequenzbändern ergeben.
Abbildung 3: Diagramme der stationären Magnetfeldverteilung zeigen die verschiedenen Betriebsarten des Pflasters. Das obere linke Bild (3a) ist bei 2,45 GHz, das obere rechte (3b) bei 5,2 GHz. Die beiden unteren Bilder (3c und 3d) zeigen die Reaktion bei 5,5 und 5,8 GHz.
Abbildung 4: Die Verstärkungsmuster des Patches bei 2,45 GHz (links, 4a) und 5,5 GHz (rechts, 4b) sind kugelförmig mit Spitzenverstärkungswerten von 3,4 bzw. 6,7 dBi.
Zur Bewertung der SAR-Leistung wird das Pflaster 5 mm über einem geschichteten Phantom angebracht, das aus Haut-, Fett- und Muskelschichten besteht (siehe Abbildung 5). Die über 1 Gramm gemittelten SAR-Spitzenwerte für 0,5 W Eingangsleistung wurden berechnet und lagen bei 2,45 und 5,5 GHz bei 0,113 W/kg und 0,18 W/kg, also deutlich unter dem von den Normen zugelassenen Höchstwert. Bei Verwendung der 10-Gramm-gemittelten SAR-Analyse betrugen die SAR-Werte für 0,5 W Eingangsleistung 0,058 W/kg und 0,082 W/kg bei 2,45 und 5,5 GHz, ebenfalls deutlich unter dem zulässigen Höchstwert. Die Verteilung der über 10 Gramm gemittelten SAR-Werte für jede Frequenz ist in Abbildung 6 dargestellt.
Abbildung 5: Um die spezifische Absorptionsrate (SAR) der Patch-Antenne zu testen, wird sie über einem dreischichtigen Phantom aus Haut-, Fett- und Muskeläquivalentgewebe simuliert.
Abbildung 6: Die über 10 g gemittelten SAR-Diagramme bei 2,45 GHz (links, 6a) und 5,5 GHz (rechts, 6b) zeigen die Regionen mit der höchsten Leistungsabsorption im Phantom. Die Werte gelten für eine Eingangsleistung von 0,5 W und liegen deutlich unter den zulässigen Normen.
Einzelne Antenne - gebogen
Das Design der Patch-Antenne wird als nächstes auf seine Leistung unter realistischeren Bedingungen für eine am Körper getragene Umgebung geprüft, in der es zu einer Krümmung der Antenne kommen kann. Das Design wurde mit Biegeradien von 40 mm und 80 mm sowohl in der X- als auch in der Y-Achse der Antenne getestet. Die Biegekonfigurationen mit einem Radius von 40 mm in jeder Richtung sind in Abbildung 7 dargestellt. Bei allen Biegekonfigurationen ist die Rückflussdämpfung im unteren Band sehr gleichmäßig, während im oberen Band eine gewisse Variation der Nulltiefe und -position auftritt, wie in Abbildung 8 gezeigt. In allen Fällen bleibt die Leistung der Antenne auf einem akzeptablen Niveau. Bei einem Biegeradius von 40 mm sind die Gewinnmuster bei 2,45 GHz sehr konsistent mit der flachen Geometrie, während der maximale Gewinn von 3,4 dBi auf 2,2 dBi (Biegung auf der X-Achse) und 1,8 dBi (Biegung auf der Y-Achse) abfällt. Bei 5,5 GHz wird das Verstärkungsmuster weniger gleichmäßig, und die Spitzenverstärkung verringert sich um etwa 2 dBi gegenüber dem Fall mit flacher Geometrie. Die Verstärkungsmuster für den 40-mm-Biegungsradius sind in Abbildung 9 dargestellt. Für die Fälle mit 80 mm Biegeradius ist die Form der Verstärkungsmuster näher an denen des flachen Geometriefalls, aber die Spitzenverstärkung ist auf 2,8 dBi (Biegung auf der X-Achse) und 2,5 dBi (Biegung auf der Y-Achse) bei 2,45 GHz reduziert. Die Spitzenverstärkung bei 5,5 GHz ist in beiden Fällen um etwa 1 dBi reduziert. Die Muster für die Fälle mit 80 mm Biegeradius sind in Abbildung 10 dargestellt.
Abbildung 7: Das Pflaster ist in einer gekrümmten Konfiguration dargestellt, bei der der Kurvenradius 40 mm beträgt. Auf der linken Seite (7a) verläuft die Krümmung um die X-Achse, während sie auf der rechten Seite (7b) um die Y-Achse verläuft. Ähnliche Geometrien wurden für eine Krümmung mit einem Radius von 80 mm simuliert.
Abbildung 8: Die Rückflussdämpfung für alle Konfigurationen des um einen Radius gekrümmten Pflasters zeigt ähnliche Ergebnisse, insbesondere am unteren Ende. Bei der oberen Resonanz variiert die Rückflussdämpfung leicht, aber der Betriebsbereich ist in allen Fällen ähnlich.
Abbildung 9: Die Gewinndiagramme der Patch-Antenne auf den gekrümmten Strukturen zeigen leichte Abweichungen in den Diagrammen und eine Verringerung des Spitzengewinns. Die Bilder sind 40 mm Kurve um X bei 2,45 GHz (oben links, 9a), Kurve um Y bei 2,45 GHz (oben rechts, 9b), Kurve um X bei 5,5 GHz (unten links, 9c) und Kurve um Y bei 5,5 GHz (unten rechts, 9d).
Abbildung 10: Die Gewinndiagramme für die Patch-Antenne auf den gekrümmten Strukturen zeigen leichte Variationen in den Diagrammen und eine Verringerung des Spitzengewinns. Die Bilder sind 80 mm Kurve um X bei 2,45 GHz (oben links, 10a), Kurve um Y bei 2,45 GHz (oben rechts, 10b), Kurve um X bei 5,5 GHz (unten links, 10c) und Kurve um Y bei 5,5 GHz (unten rechts, 10d).
MIMO-Arrays
Das Basis-Patch-Antennendesign wird als nächstes in eine 1x2-Antennengruppen-Konfiguration für MIMO-Nutzung (Multiple-Input, Multiple-Output) gebracht. Die Ausrichtung der beiden Antennen wird in sechs verschiedenen Kombinationen variiert, wobei eines oder beide Elemente gedreht werden. Alle Konfigurationen haben einen Abstand von 10 mm zwischen den Antennen, und die einander zugewandten Kanten des Patches enthalten immer Kurzschlusswände, um die Wechselwirkung zu minimieren. Die sechs Konfigurationen sind in Abbildung 11 dargestellt. Die in der Simulation des Antennen-Arrays gezeigte Rückflussdämpfung ist unabhängig von der Ausrichtung des zweiten Elements sehr gleichmäßig, wie in Abbildung 12 zu sehen ist. Die Wechselwirkung zwischen den Elementen, die durch den Parameter S12 bestimmt wird, bleibt unter -17 dB (Abbildung 13).
Abbildung 11: Sechs Konfigurationen eines 1x2-MIMO-Arrays wurden auf ihre Leistung hin untersucht. In jedem Fall beträgt der Abstand zwischen den Antennenelementen 10 mm und eine kurzgeschlossene Seite ist immer dem benachbarten Element zugewandt. Die Konfigurationen sind in der oberen Reihe mit a, b und c und in der unteren Reihe mit d, e und f gekennzeichnet. In jedem Fall werden die Elemente etwas gedreht, um die Lage der Speisepunkte und der Kurzschlusswände zu ändern.
Abbildung 12: Die Rückflussdämpfung ist bei allen Varianten des MIMO-Arrays (a bis f in Abbildung 11) nahezu identisch.
Abbildung 13: Die Isolierung zwischen den beiden Elementen des MIMO-Arrays wird durch die Darstellung des S12-Betrags veranschaulicht. In allen Fällen bleibt die Isolation unter -17 dB.
Die einzelnen Verstärkungsmuster für die verschiedenen in Abbildung 11 gezeigten Konfigurationen werden separat berechnet und weisen eine ähnliche Musterform und Spitzenverstärkung auf, wie in Abbildung 14 dargestellt. Die Interaktion der beiden Muster wird durch Berechnung des Hüllkurven-Korrelationskoeffizienten und des komplexen Korrelationskoeffizienten untersucht, um festzustellen, ob die Arrays eine akzeptable Diversität aufweisen. Die Koeffizienten für alle Array-Konfigurationen liegen deutlich unter dem als akzeptabel angesehenen Wert von 0,5 und sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1: Hüllkurvenkorrelation und komplexe Korrelationskoeffizienten für die sechs MIMO-Arrays bei 2,45 und 5,5 GHz.
Abbildung 14: Die Gewinndiagramme jedes Patches für die Konfiguration 11b sind bei 2,45 GHz (links, 14a) und 5,5 GHz (rechts, 14b) aufgezeichnet. Diese Diagramme gelten für jede Antenne, die unabhängig voneinander aktiv ist.
Um die Abdeckung des Arrays zu beurteilen, wird üblicherweise die äquivalente (oder effektive) isotrope Strahlungsleistung (EIRP) als Maß verwendet. Unter Verwendung der Konfiguration von Abbildung 11b wird die kumulative Verteilungsfunktion der EIRP für eine Eingangsleistung von 23 dBmW in Abbildung 15 aufgetragen und markiert. Die Grafik zeigt eine Abdeckung von (1 - 0,69755) oder 30,2 % der Kugel bei 2,45 GHz und (1 - 0,62423) oder 37,6 % der Kugel bei 5,5 GHz. Die sechs Konfigurationen in Abbildung 11 haben im Durchschnitt eine Abdeckung von 28,6 % bei 2,45 GHz und 38,3 % bei 5,5 GHz.
Abbildung 15: Die kumulative Verteilungsfunktion der äquivalenten isotropen Strahlungsleistung (Equivalent Isotropic Radiated Power, EIRP) zeigt die mögliche Abdeckung durch das Array bei einer bestimmten Eingangsleistung. Für das Array in Abbildung 11b beträgt die Abdeckung 30,2% bei 2,45 GHz (1-0,69755) und 37,6% bei 5,5 GHz (1-0,62423), wenn eine Eingangsleistung von 23 dBmW gewählt wird.
MIMO-Array - gebogen
Das MIMO-Array in Abbildung 11b wird nun um einen Radius von 40 mm gekrümmt, wie es zuvor für den Fall eines einzelnen Patches gemacht wurde. Das Array ist in Abbildung 16 um die Y-Achse gekrümmt dargestellt. Nach der Simulation zeigen die S-Parameter eine gute Rückflussdämpfung für beide Antennen und eine Isolierung von mehr als -27 dB zwischen den Elementen über den gesamten Frequenzbereich (Abbildung 17). Die individuellen Gewinnmuster für die beiden gebogenen Elemente bei 2,45 GHz und 5,5 GHz zeigen ähnliche Musterformen, aber einen geringeren Gewinn im Vergleich zur flachen Ausrichtung (Abbildung 18). Der Hüllkurven-Korrelationskoeffizient für das gebogene Array ist mit 6,0e-3 für 2,45 GHz und 5,1e-5 für 5,5 GHz sehr gut. Der komplexe Korrelationskoeffizient beträgt 7,8e-2 und 7,1e-3 für die gleichen Frequenzen. In der EIRP-Analyse verbessert sich die Abdeckung des gekrümmten Arrays für eine Eingangsleistung von 23 dBmW gegenüber dem flachen Array mit Werten von 32,2 % und 48,1 % für 2,45 und 5,5 GHz, wie in Abbildung 19 gezeigt.
Abbildung 16: Das MIMO-Array aus Abbildung 11b ist um einen Zylinder mit dem Radius 40 mm um die Y-Achse gekrümmt dargestellt.
Abbildung 17: Die Rückflussdämpfung und die Isolierung des gekrümmten MIMO-Arrays aus Abbildung 16 zeigen eine gute Leistung bei Bändern um 2,5 GHz und 5,3-6 GHz.
Abbildung 18: Die Verstärkungsmuster der Array-Elemente für die gekrümmte Struktur aus Abbildung 16 sind durch die Kurve gut getrennt und sollten eine breitere Region abdecken.
Abbildung 19: Die kumulative Verteilungsfunktion der äquivalenten isotropen Strahlungsleistung (Equivalent Isotropic Radiated Power, EIRP) zeigt die mögliche Abdeckung durch das Array bei einer bestimmten Eingangsleistung. Für das Array in Abbildung 16 beträgt die Abdeckung 32,2 % bei 2,45 GHz und 48,1 % bei 5,5 GHz für eine Eingangsleistung von 23 dBmW, was eine Verbesserung gegenüber dem flachen Array in Abbildung 11b darstellt.
Schlussfolgerung
Dieses Beispiel zeigt ein mögliches tragbares Antennendesign für den Dual-Band-Einsatz, das aus textilen Materialien besteht. Die Leistung der Antenne bleibt akzeptabel, auch wenn sie verformt wird, wie es in tatsächlichen Anwendungsfällen vorkommen kann. Wenn die Antennen in einem MIMO-Array kombiniert werden, zeigen sie eine gute Isolierung und eine akzeptable Antennenleistung.
Referenz:
[1] S. Yan, P. J. Soh, and G. A. E. Vandenbosch, "Dual-Band Textile MIMO Antenna Based on Substrate Integrated Waveguide (SIW) Technology," IEEE Trans. Antennas and Propagation, Vol. 63, No. 11, S. 4640-4647, Nov. 2015.
