Strahlformung für ein 8x8 Planar Phased Patch Antenna Array für 5G bei 28 GHz

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Antenneneinrichtung

Abbildung 1: Eine Draufsicht der Antennengeometrie, die das Layout des 8x8-Arrays von Patches zeigt.

Die Antennengeometrie besteht aus einem 52,5 x 52,5 mm großen Blech aus dielektrischem Material (Dielektrizitätskonstante = 2,2, Verlusttangente 0,0009, Dicke 0,254 mm), das durch eine leitende Massefläche gestützt und mit 64 Patch-Elementen in einer 8x8-Konfiguration versehen ist. Jeder Patch ist 3,4025 mm quadratisch und hat einen Abstand von einer halben Wellenlänge bei 28 GHz (ca. 5,36 mm). Eine Ansicht des Patch-Layouts auf dem dielektrischen Blech ist in Abbildung 1 zu sehen. Der Einspeisepunkt für jede Antenne ist von der Mitte des Patches um 0,75 mm in horizontaler Richtung versetzt, da dies die Position des besten Rückflussdämpfungsergebnisses ist. Eine 28 GHz sinusförmige Wellenform wird bei jedem Patch mit einem einstellbaren Phasenversatz verwendet, der basierend auf der gewünschten Richtung des Hauptstrahls bestimmt wird. Eine weit verbreitete Formel zum Bestimmen der Phasenlage der Elemente für einen Strahl, der auf eine Richtung von θ fokussiert ist. d , φ d ist

Wn = exp{-j(2π/λ) sin(θd)[ xn cos(φd) + yn sin(φd)]}

wobei x n und y n sind die Positionen (in Metern) der Feeds bei jedem Patch, die sich auf den ersten Patch in der unteren linken Ecke des Arrays beziehen, und w n ist die Phasenverschiebung für das Element, das sich bei (x x n , y n ). In XFdtdwurden diese Phasen jedem Einspeiseelement unter Verwendung von Parametern wie in Figur 2 dargestellt zugeordnet, wobei die Phasenverschiebung durch einen Parameternamen definiert ist.

 

Abbildung 2: Ein Beispiel für eine der Quelldefinitionen für die Patch-Feeds, die die eingestellte Phasenverschiebung als Variable zeigt, die in Abhängigkeit von der gewünschten Strahlrichtung eingestellt werden kann.

 

Ergebnisse

Es wurden Simulationen an der Anordnung durchgeführt, um das für verschiedene Phasenbedingungen mögliche Verstärkungsmuster zu bestimmen. Ein erster Testsatz, bei dem alle Phasen gleich sind, so dass alle Elemente in Richtung der (0°, 0°) Richtung strahlen. Dies führte zu einer maximalen Verstärkung von etwas mehr als 23 dBi und einer 3 dB Strahlbreite von etwas mehr als 12 Grad, wie in einem Liniendiagramm durch eine der Hauptebenen in Figur 3 dargestellt. Das gleiche Muster ist über der CAD-Zeichnung der Antenne in drei Dimensionen in Abbildung 4 dargestellt. Mit den Phasen, die so eingestellt sind, dass sie einen Strahl auf (20°, 90°) richten, ergibt sich ein leichter Abfall des Peak-Gain auf 22,9 dBi und eine Verbreiterung der Strahlbreite auf etwa 13,2 Grad, wie in Figur 5 dreidimensional dargestellt. Das Schwenken des Strahls in eine Ecke der Anordnung in Richtung (45°, 40°) reduziert den Spitzengewinn auf 21,7 dBi und erweitert den Strahl um einen moderaten Betrag (Abbildung 6). Wenn die Phasenlage geändert wird, um den Strahl in Richtung Horizont zu lenken, erreicht die Anordnung aufgrund der Muster der ursprünglichen Patch-Antennen eine Grenze, und es entsteht ein Verstärkungsdiagramm mit großen Nebenkeulen. In Figur 7 sind mehrere Strahlmuster zusammen dargestellt, um die Steuerung des Strahls von normal bis 50 Grad in 10-Grad-Schritten zu veranschaulichen.

Abbildung 3: Ein Liniendiagramm der Verstärkung in einem Querschnittsschnitt des Array-Musters für den Fall, dass alle Patches phasengleich mit gleichen Amplituden zugeführt werden. Die Spitzenverstärkung liegt bei etwas über 23 dBi und die 3 dB Strahlbreite bei etwa 12 Grad.

Abbildung 4: Das dreidimensionale Verstärkungsmuster für das 8x8-Array, wenn alle Patches phasengleich mit gleichen Amplituden zugeführt werden.

Abbildung 5: Das dreidimensionale Verstärkungsmuster für das 8x8-Array, wenn die Patches phasenversetzt sind, um das Hauptlicht auf (20°, 90°) zu richten.

Abbildung 6: Das dreidimensionale Verstärkungsmuster für das 8x8-Array, wenn die Patches phasenversetzt sind, um den Hauptstrahl auf (40°, 45°) zu richten.

Abbildung 7: Dreidimensionale Verstärkungsmuster für sechs Verstärkungsmuster aus dem 8x8-Array für die Phasenregelung, um den Strahl in 10-Grad-Schritten auf (0°,90°) bis (50°,90°) zu richten.

Simulationen zur Rückflussdämpfung wurden für jeden Port durchgeführt und es wurde festgestellt, dass die Werte unter -30 dB liegen, was darauf hindeutet, dass die Patches richtig abgestimmt wurden. Die Strahlungseffizienz variierte von etwa 78% bis zu mehr als 90% über die Anordnung, wobei die Patches in der Nähe der Kanten der Anordnung im Allgemeinen höhere Wirkungsgrade aufweisen.  

Um die Leistung von Subarrays zu untersuchen, wurden einige einfache Fälle simuliert, um typische Ergebnisse für 4x4, 2x2 und 1x2 Arrays von Elementen zu finden. Alle diese Simulationen wurden mit den Patches durchgeführt, die mit gleichen Phasensignalen gespeist wurden. Die Muster für 4x4 und 2x2 Subarrays in einer Ecke des Hauptarrays sind in Abbildung 8 und Abbildung 9 dargestellt. Zwei Positionen auf dem Array, eine in der Nähe einer Kante und eine in der Nähe des Zentrums, wurden als 1x2 Subarrays simuliert, und es gab nur geringe Unterschiede in ihren Ergebnissen. Ein typisches Muster für ein 1x2-Subarray, das in der Nähe der Mitte des Hauptarrays definiert ist, ist in Abbildung 10 dargestellt. 

Abbildung 8: Das dreidimensionale Verstärkungsmuster für eine 4x4-Subarray von Elementen in einem Quadranten der Hauptanordnung.

Abbildung 9: Das dreidimensionale Verstärkungsmuster für eine 2x2 Teilanordnung von Elementen in einer Ecke der Hauptanordnung.

Abbildung 10: Das dreidimensionale Verstärkungsmuster für eine 1x2 Teilanordnung von Elementen in der Nähe der Mitte der Hauptanordnung.

Es ist ineffizient, alle möglichen Phasenkombinationen zu simulieren, um die Gesamtleistung des Arrays zu bestimmen. Es steht jedoch ein Makroprogramm in XFdtd zur Verfügung, das eine vollständige Untersuchung der Verstärkungspegel aus allen Winkeln des Arrays durch Verschieben der Phasenlage der einzelnen Elemente ermöglicht. Das Ergebnis ist eine Darstellung der Summenverteilungsfunktion (CDF) der effektiven isotropen Strahlungsleistung (EIRP). Das EIRP ist ein Indikator für die Leistung, die eine Antenne im Vergleich zu einem isotropen Strahler in eine bestimmte Richtung abstrahlen kann. Dieses Diagramm kann verwendet werden, um die Bruchfläche der Fernzonenkugel zu bestimmen, die bei einem gegebenen Eingangsleistungspegel einen Gewinn über 0 dBi aufweist. Im Allgemeinen wird ein Leistungspegel von 23 dBmW als Eingangspegel für mobile Geräte verwendet. Wenn die CDF für das gesamte 8x8-Array erzeugt wird, stellt sich heraus, dass der 23 dBmW-Pegel etwa 0,225 Bruchflächen beträgt (Abbildung 11), was bedeutet, dass (1 - 0,225 = 0,775) 77,5% der Fernzonenkugel mit einem Gewinn über 0 dBi beleuchtet werden können. Das 4x4-Subarray (Abbildung 12) hat eine Abdeckung von 64,3% bei 23 dBmW Eingangsleistung. Ähnliche Diagramme sind für das 2x2 Subarray (Abbildung 13, 50%) und ein 1x2 Subarray nahe der Mitte des Hauptarrays dargestellt (Abbildung 14, 40,2%). Viele weitere Subarrays, die über die hier gezeigten hinausgehen, sind möglich und können je nach den Anforderungen des Systems von Wert sein.

Abbildung 11: Das CDF des EIRP-Plots für das gesamte 8x8-Array zeigt eine positive Verstärkung von 77,5% der Fernzonenkugel bei einer Eingangsleistung von 23 dBmW.

Abbildung 12: Das CDF des EIRP-Plots für ein 4x4-Subarray, das sich in einem Quadranten des Hauptarrays befindet und eine positive Verstärkung von über 64,3% der Fernzonenkugel bei einer Eingangsleistung von 23 dBmW aufweist.

Abbildung 13: Das CDF des EIRP-Plots für ein 2x2-Subarray, das sich in einer Ecke des Hauptarrays befindet und eine positive Verstärkung von über 50% der Fernzonenkugel bei einer Eingangsleistung von 23 dBmW zeigt.

Abbildung 14: Das CDF des EIRP-Diagramms für ein 1x2-Subarray, das sich in der Nähe der Mitte des Hauptarrays befindet und eine positive Verstärkung von über 40,2% der Fernzonenkugel bei einer Eingangsleistung von 23 dBmW aufweist.