EM-Simulation eines 28 GHz Series-Fed Patch Antenna Arrays für 5G

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Ein Teil der Diskussion über die drahtlose Kommunikation der nächsten Generation ist die Fähigkeit, Strahlen von Antennenanordnungen bei höheren Frequenzen schnell zu steuern. In diesem Beispiel besteht eine vorgeschlagene Antenne[1] aus acht seriengespeisten Patch-Elementen, die jeweils acht Patches enthalten, die so verbunden sind, dass sie sowohl Stehwellen- als auch Wanderwellenverhalten erzeugen. Die Anordnung erzeugt einen einzelnen Strahl, der in der horizontalen Achse der Anordnung durch Variation der Phasenlage der Signale an den Eingängen der Elemente gekehrt werden kann.

Das Array wird für Standardleistungskennzahlen wie S-Parameter und Verstärkung sowie für die effektive isotrope Strahlungsleistung (EIRP) bewertet. EIRP ist praktisch die Eingangsleistung, die einer Antenne zugeführt wird, multipliziert mit dem Gewinn dieser Antenne. Sie gibt die Gesamtleistung an, die eine isotrope Antenne abgeben müsste, um die Signalstärke des Hauptstrahls der ausgewerteten Antenne anzupassen. Die Simulationen in diesem Beitrag werden durchgeführt mit Hilfe von XFdtd® EM-Simulationssoftware.

Abbildung 1: CAD-Darstellung eines einzelnen 1x8-Patch-Elements von oben gesehen.

Das endgültige Array besteht aus acht separaten 1x8 seriell gespeisten Patch-Elementen, wie in Abbildung 1 dargestellt. Die Eigenschaften eines einzelnen Elements werden zunächst untersucht, bevor die Anordnung diskutiert wird. Jeder Patch hat eine Größe von 3.539 mm x 3.539 mm und einen Abstand von 3.539 mm. Der letzte Patch in der Linie hat einen Kerbenausschnitt von 0,6269 mm x 2,727 mm in der Anschlussseite. Die Mikrostreifenlinien, die die Patches verbinden, sind 0,494 mm breit. Die Anfangszuführung ist 2.215 mm lang und 0,72 mm breit. Die Gesamtlänge des Elements beträgt 55,3 mm. Die Antenne befindet sich auf einem Substrat mit einer Dielektrizitätskonstante von 2,2, einer Verlusttangente von 0,0009 und einer Dicke von 0,254 mm. 

Die Geometrie wird in ein FDTD-Netz mit dem Befehl PrOGrid Funktion in XFdtd. Jedes Element der Geometrie verfügt über automatische Festpunkte, die es ermöglichen, die Ecken der Strukturen perfekt mit dem FDTD-Gitter auszurichten. Die minimale Featuregröße für Good Conductors ist die Breite der Mikrostreifenlinie zwischen den Patches und ist so definiert, dass sie mindestens acht FDTD-Zellen umfasst. Das dielektrische Substrat ist so definiert, dass es mindestens fünf FDTD-Zellen mit einer Dicke aufweist, wobei die Mindestgröße für Merkmale mit schlechtem Leiter verwendet wird. Die Gesamtzahl der Zellen pro Wellenlänge wird auf 60 festgelegt, um gute Ergebnisse zu erzielen.

Der Eingang für das Element ist eine Spannungsquelle, die zunächst durch ein breitbandiges Signal von 26 bis 30 GHz für S-Parameter-Ergebnisse angeregt wird. Nach einer Simulation zur Berechnung der S-Parameter wird festgestellt, dass die Rückflussdämpfung aufgrund einer schlechten Übereinstimmung eine schwache Reaktion aufweist. Dies wird durch Hinzufügen einer Anpassungsschaltung korrigiert, die aus einem Reiheninduktor und einem Parallelkondensator (0,22 nH und 0,09 pF) besteht. Die angepasste Eingangsrückflussdämpfung erzeugt eine Null bei 28 GHz (Abbildung 2). Das Fernfeld-Verstärkungsmuster für das einzelne Element (Abbildung 3) zeigt eine starke Mittelkeule senkrecht zu den Patches mit einer Spitzenverstärkung von 16,77 dBi. Der Spitzen-Nebenkeule wird, wie in Abbildung 4 dargestellt, um etwa 13 dBi vom Hauptkeule entfernt gesehen.

Abbildung 2: Die Rückflussdämpfung für das 1x8-Element ist leicht verstimmt, wenn sie mit einer 50-Ohm-Quelle gespeist wird. Durch Hinzufügen einer einfachen LC-Anpassungsschaltung wird das Gerät auf 28 GHz abgestimmt.

Abbildung 3: Das Fernfeld-Verstärkungsmuster des1x8-Elements weist einen starken zentralen Strahl auf, der in einer Dimension fokussiert und in einer anderen kreisförmig ist. Die Spitzenverstärkung liegt bei knapp 17 dBi.

Abbildung 4: In der XZ-Dimension (E-Ebene) hat das Antennenmuster ein Fernlicht mit einem Gewinn von 16,77 dBi und einem maximalen Nebenkeulenpegel von 3,73 dBi.

Um das Array zu erstellen, sind acht der einzelnen 1x8 Elemente im Abstand von 5.352 mm angeordnet, um ein Array zu bilden, das 55,3 mm x 41 mm misst, wie in Abbildung 5 dargestellt. Um breitbandige S-Parameterdaten zu erzeugen, wird an jedem der acht Eingangsports eine Impulsanregung angewendet. Eine Anpassungsschaltung, ähnlich derjenigen, die für das einzelne Element verwendet wird, wird an allen Eingangsports des Arrays angewendet. Die Rückflussdämpfung für alle acht Ports wird als sehr ähnlich angesehen, wie in Abbildung 6 dargestellt, während die Isolation zwischen benachbarten Ports jeweils unter -15 dB liegt (Abbildung 7). 

Abbildung 5: Gezeigt ist eine CAD-Darstellung der Kombination von acht der 1x8 Elemente zu einem Array. Die Elemente sind im Abstand von 5.352 mm von Mitte zu Mitte angeordnet.

Abbildung 6: Die Rückflussdämpfung jedes Ports ist dargestellt und wird nach dem Hinzufügen einfacher LC-Anpassungsschaltungen zu jeder Einspeisung auf 28 GHz abgestimmt.

Abbildung 7: Die Isolation zwischen benachbarten Anschlüssen ist für alle möglichen Kombinationen kleiner als -15 dB dargestellt.

Abbildung 8: Das Verstärkungsmuster für das Array, wenn alle Eingänge in Phase gespeist werden, führt zu einem starken Zentralstrahl mit einer Verstärkung von 24 dBi.

Abhängig von der Phasenlage der Signale an jedem der Eingangsports können mehrere verschiedene Strahlen definiert werden. Wenn alle Ports in Phase gespeist werden, wird der Strahl senkrecht zur Array-Ebene mit einer maximalen Verstärkung von 24 dBi gebildet (Abbildung 8). Aufgrund der Natur dieser Geometrie dürfen die Strahlen nur in einer Ebene parallel zur Linie der Eingangsports gesteuert werden. Um die Phasenlage anzupassen, wird die Butler-Matrix-Gleichung verwendet, um die Phasendifferenz zwischen den Elementen zu berechnen. Es ist definiert als:

αi = [(2i - 1) - M]/M * π

wo αi ist die Phasendifferenz zwischen den Elementen, i ist die Strahlzahl oder Eingangsportnummer der Butler-Matrix und M ist die Anzahl der Ports. In diesem Fall ist die Phasenlage für Strahlen 1-8 -157,5 Grad, -112,5 Grad, -67,5 Grad, -22,5 Grad, 22,5 Grad, 67,5 Grad, 112,5 Grad und 157,5 Grad. Die Phasenverschiebung wird über die Eingangsports angewendet, so dass der erste Port eine Verschiebung von 0 Grad, der zweite -157,5 Grad, der dritte -315 Grad, etc. für den Fall von Strahl 1 aufweist. Diese Phasenverschiebungen werden mit einem sinusförmigen Eingang bei 28 GHz angelegt. Die resultierenden Strahlen in der YZ (E-Ebene) sind in Abbildung 9 als eine Reihe von Linienplots mit Hauptkeulenrichtungen von +/- 55 Grad, +/- 37 Grad, +/- 21,5 Grad und +/- 7 Grad dargestellt. In drei Dimensionen sind die Balken 1 bis 4 in den Figuren 10 - 13 zu sehen. Alle acht Strahlen sind in einem dreidimensionalen Bild in Figur 14 dargestellt.

Abbildung 9: Nach dem Aufbringen von Butler Matrix Phasenverschiebungen auf jeden Port wird ein gerichteter Strahl erzeugt. Dargestellt sind acht mögliche Träger.

Abbildung 10: Das Verstärkungsmuster, das sich aus der Butler-Matrix-Phasierung für Strahl #1 (-157,5 Grad pro Port) ergibt, weist einen breiten Strahl mit maximaler Verstärkung bei 55 Grad auf.

Abbildung 11: Das Verstärkungsmuster, das aus der Butler-Matrix-Phasierung für Strahl #2 (-112,5 Grad pro Port) gebildet wird, hat einen fokussierteren Strahl mit maximaler Verstärkung bei 37 Grad. Der weiße Pfeil zeigt die Richtung der Spitzenverstärkung an.

Abbildung 12: Das Verstärkungsmuster, das sich aus der Butler-Matrix-Phasierung für Strahl #3 (-67,5 Grad pro Port) ergibt, hat eine maximale Verstärkung bei 21,5 Grad.

Abbildung 13: Das Verstärkungsmuster, das aus der Butler-Matrix-Phasierung für Strahl #4 (-22,5 Grad pro Port) gebildet wird, hat eine maximale Verstärkung bei 7 Grad.

Abbildung 14: Gezeigt ist eine Seitenansicht der acht Strahlen, die durch die Butler Matrix Phasengleichung erzeugt werden. Jeder Strahl stellt eine separate Simulation dar.

Es hat sich gezeigt, dass dieses Array mit der Butler-Matrix-Phasierung acht Strahlen bildet; eine weitere Analyse der Gesamtverstärkung über alle möglichen Phasenkombinationen ist jedoch durch die Berechnung der kumulativen Verteilungsfunktion der effektiven isotropen Strahlungsleistung möglich. Diese Darstellung zeigt den Bruchbereich der dreidimensionalen Fernfeldkugel, den die Anordnung für eine bestimmte Menge an Eingangsleistung abdeckt. Für dieses Array zeigt das CDF des EIRP-Plots (Abbildung 15), dass das Array bei einer Eingangsleistung von 23 dBmW eine positive Verstärkung von etwa 27,4% der Fernzonenkugel aufweist. Dies stellt den Abtastbereich dar, in dem die Strahlen eine positive Verstärkung aufweisen, die durch die Grundplatte unter der Anordnung begrenzt wird, die 50% des Strahlungsvolumens blockiert. Die obere Hemisphäre des Bereichs der Fernzone wird aufgrund des Designs der Anordnung von den Strahlen nur in einer Achse abgetastet, so dass der gescannte Bereich relativ begrenzt ist. Die Darstellung zeigt auch, dass der Peak EIRP etwa 46,4 dBmW beträgt.

Abbildung 15: Die Darstellung der kumulativen Verteilungsfunktion des EIRP zeigt, dass bei 23 dBmW Eingangsleistung etwa (1 - .726) oder 27,4% der dreidimensionalen Fernfeldkugel einen positiven Gewinn aufweisen.

Abbildung 16: Eine Rotman-Objektivvorrichtung, die als Frontend des Arrays verwendet werden kann, ist in der RLD-Software von Remcom dargestellt.

Alternativ zur Verwendung der Butler-Matrix-Gleichungen und der Anpassung der Phasen in der Software ist es auch möglich, mit einem echten Zeitverzögerungsgerät wie einer Rotman-Linse in der Simulation die Strahlen mit dieser Anordnung zu bilden. Verwendung von Remcom's Rotman Lens Designer® (RLD)wurde eine geeignete Linse (dargestellt in Abbildung 16 in der RLD-Software) entwickelt, um die Kriterien des Arrays zu erfüllen. Nach dem Export der CAD-Datei des Objektivs aus RLD und dem Import in XFdtd wird eine komplette Geometrie mit acht Eingangsports und vier Seitenwanddummy-Ports erstellt (Abbildung 17). In den Simulationen werden die Strahlen durch Einspeisung jeweils eines einzelnen Ports erzeugt, anstatt die Phasenlage über jeden Port anzupassen. Nach acht Simulationen mit jeweils einem anderen aktiven Port sind die acht von der Anordnung gebildeten Strahlen in Figur 18 sichtbar. Die Abdeckung ist ähnlich wie bei der Butler-Matrix-Phasierung, die zuvor in Abbildung 14 dargestellt wurde.

Abbildung 17: Die resultierende Geometrie der Anordnung mit der Rotman-Linse Strahlformstufe wird als dreidimensionale CAD-Datei in XFdtd dargestellt.

Abbildung 18: Die acht möglichen Strahlmuster aus der Anordnung, die durch die Aktivierung eines der Ports der Rotman-Linse gleichzeitig erzeugt werden, sind dargestellt.

Referenz:

1] M. K. Ishfaq, T. A. Rahman, Y. Yamada und K. Sakakibara, "8x8 Phased Series Fed Patch Antenna Array bei 28 GHz für 5G Mobile Base Station Antennen", 2017 IEEE-APS Topical Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications (APWC), S. 160-162, 2017.