Einrichtung der Antenne
Abbildung 1: Eine Draufsicht auf die Antennengeometrie, die die Anordnung der 8x8-Patch-Anordnung zeigt.
Die Antennengeometrie besteht aus einer 52,5 x 52,5 mm großen Platte aus dielektrischem Material (Dielektrizitätskonstante = 2,2, Verlusttangens 0,0009, Dicke 0,254 mm), hinter der sich eine leitende Grundplatte befindet und die mit 64 Patch-Elementen in einer 8x8-Konfiguration bestückt ist. Jedes Patch ist 3,4025 mm groß und hat einen Abstand von einer halben Wellenlänge bei 28 GHz (etwa 5,36 mm). Eine Ansicht des Patch-Layouts auf der dielektrischen Platte ist in Abbildung 1 zu sehen. Der Einspeisepunkt für jede Antenne ist um 0,75 mm in horizontaler Richtung von der Mitte des Patches versetzt, da sich herausgestellt hat, dass dies der Ort mit der besten Rückflussdämpfung ist. An jedem Patch wird eine sinusförmige 28-GHz-Wellenform mit einem einstellbaren Phasenversatz verwendet, der auf der Grundlage der gewünschten Richtung des Hauptstrahls bestimmt wird. Eine weit verbreitete Formel zur Bestimmung der Phasenlage der Elemente für einen auf eine Richtung von θd, φd fokussierten Strahllautet
Wn = exp{-j(2π/λ) sin(θd)[ xn cos(φd) + yn sin(φd)]}
wobei xnund yn die Positionen (in Metern) der Einspeisungen an jedem Flecksind , bezogen auf den Anfangsfleck in der linken unteren Ecke des Arrays, und w n die Phasenverschiebung für das an (xn, yn) befindliche Element ist . In XFdtd wurden diese Phasen jedem Einspeiseelement durch die Verwendung von Parametern zugewiesen, wie in Abbildung 2 dargestellt, wobei die Phasenverschiebung durch einen Parameternamen definiert ist.
Abbildung 2: Ein Beispiel für eine der Quellendefinitionen für die Patch-Feeds, bei der die Phasenverschiebung als Variable eingestellt ist, die je nach der gewünschten Strahlrichtung angepasst werden kann.
Ergebnisse
Es wurden Simulationen mit dem Array durchgeführt, um das mögliche Verstärkungsmuster für verschiedene Phasenbedingungen zu bestimmen. In einem ersten Test wurden alle Phasen gleich eingestellt, so dass alle Elemente in die Richtung (0°, 0°) abstrahlen. 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 Abbildung 3 dargestellt. Das gleiche Muster ist in der CAD-Zeichnung der Antenne in drei Dimensionen in Abbildung 4 dargestellt. Wenn die Phasen so eingestellt werden, dass ein Strahl in Richtung (20°, 90°) gerichtet wird, ergibt sich ein leichter Rückgang des Spitzengewinns auf 22,9 dBi und eine Verbreiterung der Strahlbreite auf etwa 13,2 Grad, wie in Abbildung 5 dreidimensional dargestellt. Wird der Strahl in eine Ecke des Arrays in Richtung (45°, 40°) geschwenkt, sinkt die Spitzenverstärkung auf 21,7 dBi und der Strahl wird etwas breiter (Abbildung 6). Wenn die Phasenlage geändert wird, um den Strahl in Richtung Horizont zu lenken, erreicht das Array aufgrund der Muster der ursprünglichen Patch-Antennen eine Grenze, und es bildet sich eine Gewinnkurve mit großen Nebenkeulen. In Abbildung 7 sind mehrere Strahlenmuster zusammen dargestellt, um die Steuerung des Strahls von normal bis hinunter zu 50 Grad in 10-Grad-Schritten zu veranschaulichen.
Abbildung 3: Ein Liniendiagramm der Verstärkung in einem Querschnitt des Array-Musters für den Fall, dass alle Patches gleichphasig mit gleichen Amplituden gespeist werden. Die Spitzenverstärkung beträgt etwas mehr als 23 dBi und die 3-dB-Strahlbreite beträgt etwa 12 Grad.
Abbildung 4: Das dreidimensionale Verstärkungsmuster für das 8x8-Array, wenn alle Patches gleichphasig mit gleichen Amplituden gespeist werden.
Abbildung 5: Das dreidimensionale Verstärkungsmuster für das 8x8-Array, wenn die Patches so ausgerichtet sind, dass der Hauptstrahl auf (20°, 90°) gerichtet ist.
Abbildung 6: Das dreidimensionale Verstärkungsmuster für das 8x8-Array, wenn die Patches so ausgerichtet sind, dass der Hauptstrahl auf (40°, 45°) gerichtet ist.
Abbildung 7: Dreidimensionale Verstärkungsmuster für sechs Verstärkungsmuster aus dem 8x8-Array für eine Phaseneinstellung, die den Strahl in 10-Grad-Schritten auf (0°, 90°) bis (50°, 90°) richtet.
Die Simulationen für die Rückflussdämpfung wurden für jeden Anschluss durchgeführt und ergaben Werte von unter -30 dB, was darauf hindeutet, dass die Patches richtig abgestimmt waren. Der Strahlungswirkungsgrad variierte von etwa 78 % bis zu mehr als 90 % über das Array, wobei Patches in der Nähe der Ränder des Arrays im Allgemeinen höhere Wirkungsgrade aufwiesen.
Um die Leistung von Sub-Arrays zu untersuchen, wurden einige einfache Fälle simuliert, um typische Ergebnisse für 4x4-, 2x2- und 1x2-Element-Arrays zu ermitteln. Bei all diesen Simulationen wurden die Patches mit gleichphasigen Signalen gespeist. Die Muster für 4x4 und 2x2 Subarrays in einer Ecke des Hauptarrays sind in Abbildung 8 und Abbildung 9 dargestellt. Zwei Stellen auf dem Array, eine in der Nähe eines Randes und eine in der Nähe der Mitte, wurden als 1x2-Subarrays simuliert, und es gab nur geringe Unterschiede in den Ergebnissen. Ein typisches Muster für ein 1x2-Subarray, das in der Nähe der Mitte des Hauptarrays definiert wurde, ist in Abbildung 10 dargestellt.
Abbildung 8: Das dreidimensionale Verstärkungsmuster für ein 4x4 Sub-Array von Elementen in einem Quadranten des Haupt-Arrays.
Abbildung 9: Das dreidimensionale Verstärkungsmuster für ein 2x2-Sub-Array von Elementen in einer Ecke des Haupt-Arrays.
Abbildung 10: Das dreidimensionale Verstärkungsmuster für ein 1x2-Sub-Array von Elementen in der Nähe des Zentrums des Haupt-Arrays.
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 in allen Winkeln des Arrays durch Verschieben der Phasenlage der einzelnen Elemente ermöglicht. Das Ergebnis ist ein Diagramm, das die kumulative Verteilungsfunktion (CDF) der effektiven isotropen Strahlungsleistung (EIRP) zeigt. Die 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 den Anteil des Bereichs der Fernzone zu bestimmen, der bei einem bestimmten Eingangsleistungspegel einen Gewinn über 0 dBi aufweist. Im Allgemeinen wird ein Leistungspegel von 23 dBmW als Eingangspegel für mobile Geräte verwendet. Bei der Erstellung der CDF für das gesamte 8x8-Array zeigt sich, dass der 23-dBmW-Pegel etwa 0,225 Teilflächen ausmacht (Abbildung 11), was bedeutet, dass (1 - 0,225 = 0,775) 77,5 % der Fernzone mit einer Verstärkung von über 0 dBi beleuchtet werden können. Das 4x4-Sub-Array (Abbildung 12) hat eine Abdeckung von 64,3 % bei einer Eingangsleistung von 23 dBmW. Ähnliche Diagramme werden für das 2x2-Sub-Array (Abbildung 13, 50 %) und ein 1x2-Sub-Array in der Nähe der Mitte des Haupt-Arrays (Abbildung 14, 40,2 %) gezeigt. Viele andere Sub-Arrays als die hier gezeigten sind möglich und können je nach den Anforderungen des Systems von Nutzen sein.
Abbildung 11: Die CDF des EIRP-Diagramms für das vollständige 8x8-Array zeigt eine positive Verstärkung über 77,5 % der Fernzone bei einer Eingangsleistung von 23 dBmW.
Abbildung 12: Die CDF des EIRP-Plots für ein 4x4-Sub-Array, das sich in einem Quadranten des Haupt-Arrays befindet, zeigt eine positive Verstärkung über 64,3 % der Fernzone bei einer Eingangsleistung von 23 dBmW.
Abbildung 13: Die CDF des EIRP-Plots für ein 2x2-Sub-Array in einer Ecke des Haupt-Arrays zeigt eine positive Verstärkung über 50 % der Fernzone für eine Eingangsleistung von 23 dBmW.
Abbildung 14: Die CDF des EIRP-Plots für ein 1x2-Sub-Array, das sich in der Nähe der Mitte des Haupt-Arrays befindet, zeigt eine positive Verstärkung über 40,2 % der Fernzone für eine Eingangsleistung von 23 dBmW.
