Einführung
In diesem Beispiel werden die Funktionen von XFdtd für das 5G-Gerätedesign verwendet, um die Leistung und das Zusammenspiel von zwei Antennensystemen zu analysieren, die bei 4G (860 MHz) und 5G (28 GHz) in unmittelbarer Nähe in einem Smartphone-Design betrieben werden. Die 4G-Antenne soll ein breites Muster für eine breite Abdeckung erzeugen, während die 5G-Antennengruppe schmale Strahlen erzeugen soll, die durch Änderung der Phasenlage zwischen den Elementen gesteuert werden können. Die 4G-Antenne hat ein umgekehrtes L-Design und befindet sich an der Oberseite des Telefons. Die 5G-Antennengruppe besteht aus vier Yagi-Uda-Elementen, die sich in der Nähe der 4G-Antenne befinden, aber durch einen leitenden Block versetzt sind. Die in diesem Beispiel verwendeten Antennendesigns stammen aus dem Papier [1].
Geometrie des Geräts
Die Geometrie des Beispiels basiert auf einer vereinfachten Smartphone-Leiterplatte. Eine 150x70x1 mm große Kupferplatte wird als Grundplatte für das System verwendet, an deren einem Ende die Antennenstrukturen angebracht sind (siehe Abbildung 1). Die 4G-Antenne wird direkt über der Grundplatte in Form eines umgekehrten L platziert, das einen Querschnitt von 1x1 mm und Längen von 6 mm am kurzen und 70 mm am langen Schenkel aufweist. Sie wird von einer Spannungsquelle zwischen der Grundplatte und dem Ende des kurzen Schenkels gespeist. Das 5G-Array besteht aus vier identischen Yagi-Uda-Elementen, die in Abbildung 2 dargestellt sind. Die Elemente sind auf einem 0,3 mm dicken Substrat (Dielektrizitätskonstante = 3,6, Verlusttangens = 0,006) montiert, das durch einen 2,2 mm dicken leitenden Block von der Grundplatte getrennt ist. Außerdem befindet sich auf der Rückseite des Substrats ein horizontales Element der Yagi-Uda-Antenne, das in Abbildung 3 zu sehen ist. Jedes 5G-Element wird von einer Nodal-Waveguide-Quelle gespeist.
Abbildung 1: Das Smartphone-Design wird in einer dreidimensionalen CAD-Darstellung gezeigt, wobei die 4G-Antennen- und 5G-Array-Strukturen links an einem Ende der großen Grundplatte sichtbar sind.
Abbildung 2: Eine CAD-Ansicht des 5G-Arrays zeigt die vier Yagi-Uda-Elemente auf einem dielektrischen Substrat mit der 4G-Inverted-L-Antenne dahinter.
Abbildung 3: Eine Ansicht der Unterseite des Antennen-Arrays zeigt die Trennung der 4G- und 5G-Elemente und die Rückseite des Substrats.
Die Struktur wird mit der PrOGrid Project Optimized Gridding®-Funktion von XFdtd mit einer Grundeinstellung von 30 FDTD-Zellen pro Wellenlänge vernetzt. Es werden Mindestfeaturegrößen definiert, um sicherzustellen, dass das Substrat fünf FDTD-Zellen dick ist und die kleinsten Leiterfeatures einen Durchmesser von fünf Zellen haben. Automatische Fixpunkte werden auch auf alle Teile angewendet, um sicherzustellen, dass die Gitterlinien an allen Kanten der Geometrie platziert werden.
Ergebnisse
Die 4G-Antenne wird von einer breitbandigen Quelle gespeist, die zunächst als 50-Ohm-Spannungsquelle dargestellt wird, die zwischen der Grundplatte und dem Antennenfuß angebracht ist. Die Antenne ist keine gute Anpassung an die 50-Ohm-Quelle, was zu einer schlechten Rückflussdämpfung führt. Nach einer ersten Simulation zur Bestimmung der Impedanz der Antennenlast kann eine Anpassungsschaltung zur Verbesserung der Antennenleistung definiert werden. In diesem Fall wird ein Tiefpass-PI-Anpassungsnetzwerk, bestehend aus zwei Kondensatoren und einer Induktivität, ausgewählt, und die Komponentenwerte werden mit analytischen Anpassungsschaltungsrechnern bestimmt. Die Komponenten des Anpassungsnetzwerks werden in einem SPICE-Netzlistenformat definiert und dann als Teilschaltung in XFdtd importiert, wie in Abbildung 4 dargestellt. Diese Teilschaltung kann dann als Anpassungsschaltung zu einer XFdtd-Spannungsquelle hinzugefügt werden (Abbildung 5). Während der Ausführung des Programms findet für jeden Zeitschritt an der Zellkante, die die Anpassungsschaltung enthält, eine Co-Simulation der FDTD-Vollwellenberechnung und eines Schaltungslösers statt. Für den Rest des Berechnungsraums findet eine normale FDTD-Vollwellensimulation statt. Die sich ergebenden Rückflussdämpfungsdiagramme für die nicht angepasste und die angepasste 4G-Antenne sind in Abbildung 6 dargestellt, und die deutliche Verbesserung durch die Anpassungsschaltung ist sichtbar. Der Gewinn der 4G-Antenne ist in Abbildung 7 dargestellt und zeigt, dass sie eine breite Abdeckung mit einem Spitzengewinn von 2,7 dBi bietet.
Abbildung 4: Das Menü für die Netzliste der in der 4G-Antenne verwendeten Anpassungsschaltung wird angezeigt. Die Netzliste enthält zwei Kondensatoren und eine Induktivität.
Abbildung 5: Dargestellt ist das Spannungsquellenmenü in XFdtd für den Anschluss mit der Anpassungsschaltung, die für die 4G-Antenne verwendet wird.
Abbildung 6: Vergleich der Rückflussdämpfung für die nicht angepasste und die angepasste 4G-Antenne.
Abbildung 7: Das 3D-Gewinndiagramm der 4G-Antenne zeigt eine ziemlich gleichmäßige Abdeckung um das Gerät herum und einen Spitzengewinn von 2,7 dBi.
Die Ausrichtung der 5G-Antennengruppe im Verhältnis zur 4G-Antenne wird variiert, um die Auswirkungen der Positionierung auf die Leistung der einzelnen Antennen zu bestimmen. Es werden drei Konfigurationen in Betracht gezogen, die in Abbildung 8 dargestellt sind: Verschiebung des 5G-Arrays, so dass die Spitzen der 5G-Antennen 2 mm unter der Spitze der 4G-Antenne liegen, Beibehaltung der Spitzen der 5G- und 4G-Antennen auf gleicher Höhe oder Verschiebung des 5G-Arrays um 2 mm nach oben. In diesen Ausgangsfällen wird die Phasenverschiebung zwischen den 5G-Antennenelementen auf Null gehalten. Die Auswirkungen des Versatzes sind in Abbildung 9 und Abbildung 10 dargestellt, wo zu sehen ist, dass der Versatz des 5G-Arrays um 2 mm nach unten einen spürbaren Einfluss auf das Gewinnmuster sowohl in der XY- als auch in der YZ-Ebene hat. Wird das 5G-Array um 2 mm nach oben verschoben, ergibt sich ein ähnliches Muster wie bei der vollständigen Entfernung der 4G-Antenne aus der Geometrie. Wenn die Oberseiten der 4G- und 5G-Antennen aufeinander ausgerichtet sind, wirkt sich dies leicht auf das 5G-Antennendiagramm aus. In allen Fällen wird das 4G-Antennendiagramm nur geringfügig beeinträchtigt, wie in Abbildung 11 zu sehen ist.
Abbildung 8: Es werden drei verschiedene Konfigurationen des 5G-Arrays relativ zur 4G-Antenne betrachtet (von links nach rechts): ein Versatz der Spitze der 5G-Antennen 2 mm unter der 4G-Antenne, eine gleichmäßige Ausrichtung zwischen der Spitze der 5G-Antennen und der 4G-Antenne und ein Versatz der Spitze der 5G-Antennen von 2 mm über der 4G-Antenne.
Abbildung 9: Dargestellt ist das Gewinndiagramm in der XY-Ebene des 5G-Arrays mit Null-Phasenverschiebung zwischen den Elementen. Es ist zu erkennen, dass das 5G-Array mit einem Versatz von 2 mm über der 4G-Antenne ein ähnliches Muster aufweist, wie wenn die 4G-Antenne aus der Geometrie entfernt wird. Ähnliche Muster werden gefunden, wenn die Oberseiten der 4G- und 5G-Antennen ausgerichtet sind. Wenn die 5G-Antennen 2 mm unterhalb der 4G-Antenne versetzt sind, wird das 5G-Muster erheblich beeinträchtigt.
Abbildung 10: Diagramme des Gewinnmusters in der YZ-Ebene des 5G-Arrays mit Null-Phasenverschiebung zwischen den Elementen zeigen ähnliche Ergebnisse für den 2 mm darüber liegenden Versatz wie für den Fall, dass die 4G-Antenne entfernt wird. Es gibt eine gewisse Auswirkung auf das 5G-Array-Muster, wenn die Oberseiten der Antennen ausgerichtet sind, und eine größere Auswirkung, wenn die 5G-Antennen 2 mm unter die 4G-Antenne verschoben sind.
Abbildung 11: Das Gewinndiagramm der 4G-Antenne in der XY-Ebene wird durch die Bewegung der 5G-Antennengruppe nur geringfügig beeinträchtigt.
Als Nächstes wird das 5G-Antennen-Array durch eine sinusförmige 28-GHz-Quelle mit gleicher Amplitude und einer variablen Phasenverschiebung über die Elemente für die Konfiguration gespeist, bei der das 5G-Array 2 mm über der 4G-Antenne positioniert ist. Wenn das Array mit allen Elementen in Phase gespeist wird, hat das erzeugte Muster einen Spitzengewinn von etwa 12,5 dBi mit einer 3-dB-Strahlbreite von 17 Grad und einem Spitzen-Nebenkeulenpegel unter 0 dBi (Abbildung 12). Nach Anwendung einer Phasenverschiebung von 120 Grad zwischen jedem Element des 5G-Arrays wird der Strahl um 24,5 Grad zu einer Seite hin gescannt, wie in Abbildung 13 dargestellt. Die Anwendung von Phasenverschiebungen von -180, -120, -60, 0, 60 und 120 Grad auf die Einspeisungen erzeugt eine Reihe von Strahlen aus dem Array, die in Abbildung 14 dargestellt sind, wobei alle Strahlen gleichzeitig aufgezeichnet werden.
Abbildung 12: Das Verstärkungsmuster des 5G-Arrays mit Null-Phasenverschiebung zwischen den Elementen zeigt einen Strahl mit einer Spitzenverstärkung von 12,5 dBi und einer Strahlbreite von 17 Grad in der XY-Ebene.
Abbildung 13: Das Verstärkungsmuster des 5G-Arrays mit einer Phasenverschiebung von 120 Grad zwischen den Elementen zeigt einen um 24,5 Grad in der XY-Ebene geneigten Strahl.
Abbildung 14: Sechs mögliche Strahlen des 5G-Arrays sind in 3D- und 2D-Verstärkungsmustern für die Fälle einer Phasenverschiebung zwischen den Elementen von 180, 120, 60, 0, -60 und -120 Grad dargestellt.
Zusammenfassung
Ein vereinfachtes Smartphone-Gerät mit einer 4G-Antenne in Kombination mit einer 5G-Antenne bei 28 GHz wurde für verschiedene Konfigurationen der 5G-Antenne im Verhältnis zur 4G-Antenne bewertet. Es wurde eine Best-Case-Konfiguration gefunden, bei der die 5G-Antenne vertikal um 2 mm gegenüber der 4G-Antenne versetzt ist. Die Ergebnisse zeigen, dass es nahezu keine Wechselwirkung zwischen den 4G- und 5G-Elementen gibt.
Referenz:
[1] T. Yamagajo, Y. Koga, M. Kai, T. Tonooka, H. Sumi, and M. Hoshino, "A Nobel 4G and 5G Antenna Solution for Future Smartphones," IEEE Antennas and Propagation Society Int. Symp., pp. 1785-1786, 2018.
