5G/4G Kombinierte Antennenanalyse in einem Smartphone mit EM-Simulation

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Einführung

In diesem Beispiel wird Das 5G-Gerätedesign von XFdtd Funktionen zur Analyse der Leistung und Interaktion von zwei Antennensystemen mit 4G (860 MHz) und 5G (28 GHz) in unmittelbarer Nähe in einem Smartphone-Design. Die 4G-Antenne soll ein breites Muster für eine breite Abdeckung erzeugen, während die 5G-Anordnung schmale Strahlen erzeugen soll, die durch Variation der Phasenlage zwischen den Elementen gesteuert werden können. Die 4G-Antenne ist in umgekehrter L-Form ausgeführt und befindet sich oben auf dem Telefon. Die 5G-Antennenanordnung 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].

Gerätegeometrie

Die Geometrie des Beispiels basiert auf einer vereinfachten Smartphone-Platine. Als Grundplatte für das System mit den an einem Ende montierten Antennenstrukturen wird ein 150x70x1 mm großes Kupferblech verwendet, wie in Figur 1 dargestellt. Die 4G-Antenne wird direkt über der Grundplatte in umgekehrter L-Form platziert, die einen Querschnitt von 1x1 mm und Längen von 6 mm auf dem kurzen Schenkel und 70 mm auf dem 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 Figur 2 dargestellt sind. Die Elemente sind auf einem 0,3 mm dicken Substrat (Dielektrizitätskonstante = 3,6, Verlusttangente = 0,006) montiert, das durch einen 2,2 mm dicken Leiterblock von der Grundplatte getrennt ist. Es gibt auch ein horizontales Element der Yagi-Uda-Antenne auf der Rückseite des Substrats, das in Figur 3 sichtbar ist. Jedes 5G-Element wird von einem Nodalwellenleiter Quelle.

Abbildung 1: Das Smartphone-Design ist in einer dreidimensionalen CAD-Darstellung dargestellt, wobei die 4G-Antennen- und 5G-Array-Strukturen links an einem Ende der großen Grundplatte sichtbar sind.

Abbildung 2: Eine CAD-Ansicht der 5G-Anordnung, die die vier Yagi-Uda-Elemente auf einem dielektrischen Substrat mit der 4G invertierten L-Antenne dahinter zeigt.

Abbildung 3: Eine Unterseitenansicht der Antennenanordnung zeigt die Trennung der 4G- und 5G-Elemente und der Rückseite des Substrats.

Die Struktur wird mit Hilfe des PrOGrid Project Optimized Gridding® (Projektoptimiertes Raster) Funktion von XFdtd mit einer Grundeinstellung von 30 FDTD-Zellen pro Wellenlänge. Es werden Mindestmerkmalgrößen definiert, um sicherzustellen, dass das Substrat fünf FDTD-Zellen mit einer Dicke von fünf und die kleinsten Leitermerkmale fünf Zellen breit ist. Automatische Festpunkte werden auch auf alle Teile angewendet, um sicherzustellen, dass Gitterlinien an allen Kanten der Geometrie platziert werden.

Ergebnisse

Die 4G-Antenne wird von einer Breitbandquelle gespeist, die zunächst als 50-Ohm-Spannungsquelle zwischen der Grundplatte und dem Antennenfuß dargestellt wird. Die Antenne ist nicht gut auf die 50-Ohm-Quelle abgestimmt, 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 einem Induktor, zur Verwendung ausgewählt und die Bauteilwerte mit analytischen Anpassungsschaltungsrechnern bestimmt. Die passenden Netzwerkkomponenten werden in einem SPICE-Netzlistenformat definiert und anschließend als Sub-Circuit in XFdtd importiert, wie in Abbildung 4 dargestellt. Diese Teilschaltung kann dann einer XFdtd-Spannungsquelle als Anpassungsschaltung hinzugefügt werden (Abbildung 5). Während der Programmausführung findet für jeden Zeitschritt eine Co-Simulation der FDTD-Vollwellenberechnung und eines Schaltungslösers an der Zellenkante mit der Anpassungsschaltung statt. Für den Rest des Berechnungsraums findet eine normale vollwellige FDTD-Simulation statt. Die resultierenden Rückflussdämpfungsdiagramme für die unangepasste und 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 eine breite Abdeckung mit einem Spitzengewinn von 2,7 dBi.

Abbildung 4: Das Menü für die Netzliste der in der 4G-Antenne verwendeten Anpassungsschaltung wird angezeigt. Die Netzliste enthält zwei Kondensatoren und einen Induktor.

Abbildung 5: Gezeigt ist das Spannungsquellenmenü in XFdtd für den Port mit der Anpassungsschaltung, die für die 4G-Antenne verwendet wird.

Abbildung 6: Rückflussdämpfungsvergleich für die unangepasste und angepasste 4G-Antenne.

Abbildung 7: Das 3D-Verstärkungsmuster der 4G-Antenne zeigt eine relativ gleichmäßige Abdeckung um das Gerät herum und einen Spitzengewinn von 2,7 dBi.

Die Ausrichtung der 5G-Antennenanordnung relativ zur 4G-Antenne wird variiert, um den Einfluss der Positionierung auf die Leistung jeder Antenne zu bestimmen. Drei Konfigurationen werden berücksichtigt und sind in Abbildung 8 dargestellt: Verschieben Sie das 5G-Array so, dass die Spitzen der 5G-Antennen 2 mm unter der Oberseite der 4G-Antenne liegen, halten Sie die Spitzen der 5G- und 4G-Antennen auf gleicher Höhe oder verschieben Sie das 5G-Array um 2 mm nach oben. In diesen ersten Fällen wird die Phasenverschiebung zwischen den 5G-Array-Elementen auf Null gehalten. Der Einfluss des Offsets ist in Abbildung 9 und Abbildung 10 dargestellt, wo zu sehen ist, dass der Offset des 5G-Arrays um 2 mm nach unten einen spürbaren Einfluss auf das Verstärkungsmuster in der XY- und YZ-Ebene hat. Eine Verschiebung des 5G-Arrays um 2 mm ergibt ein Muster, das dem ähnelt, wenn die 4G-Antenne vollständig aus der Geometrie entfernt wird. Wenn die Spitzen der 4G- und 5G-Antennen ausgerichtet sind, kommt es zu einem leichten Einfluss auf das 5G-Antennenmuster. In allen Fällen ist das 4G-Antennenmuster nur geringfügig beeinflusst, wie in Abbildung 11 zu sehen ist.

Abbildung 8: Drei verschiedene Konfigurationen des 5G-Arrays in Bezug auf die 4G-Antenne werden betrachtet (von links nach rechts): ein Versatz der Oberseite der 5G-Antennen 2 mm unterhalb der 4G-Antenne, eine gleichmäßige Ausrichtung zwischen der Oberseite der 5G-Antennen und der 4G-Antenne und ein Versatz der Oberseite der 5G-Antennen von 2 mm oberhalb der 4G-Antenne.

Abbildung 9: Diagramme des Verstärkungsmusters in der XY-Ebene des 5G-Arrays mit Nullphasenverschiebung zwischen den Elementen sind dargestellt. Es ist zu erkennen, dass mit dem um 2 mm über der 4G-Antenne versetzten 5G-Array das Muster ähnlich ist, wie wenn die 4G-Antenne aus der Geometrie entfernt wird. Ähnliche Muster finden sich, wenn die Spitzen der 4G- und 5G-Antennen ausgerichtet sind. Wenn die 5G-Antennen 2 mm unter der 4G-Antenne versetzt sind, wird das 5G-Muster erheblich beeinflusst.

Abbildung 10: Diagramme des Verstärkungsmusters in der YZ-Ebene des 5G-Arrays mit Nullphasenverschiebung zwischen den Elementen zeigen ähnliche Ergebnisse für den 2 mm über dem Offset zum Gehäuse der entfernten 4G-Antenne. Es gibt einige Auswirkungen auf das 5G-Array-Muster, wenn die Spitzen der Antennen ausgerichtet sind, und einen größeren, wenn die 5G-Antennen 2 mm unter der 4G-Antenne verschoben sind.

Abbildung 11: Das Verstärkungsmuster der 4G-Antenne in der XY-Ebene wird durch die Bewegung der 5G-Antennenanordnung nur geringfügig beeinflusst.

Anschließend wird die 5G-Antennenanordnung von einer 28 GHz-Sinusquelle mit gleicher Amplitude und einer variablen Phasenverschiebung über die Elemente für die Konfiguration gespeist, bei der die 5G-Anordnung 2 mm über der 4G-Antenne positioniert ist. Wenn das Array mit allen Elementen in Phase gespeist wird, weist das erzeugte Muster eine Spitzenverstärkung von etwa 12,5 dBi bei einer 3 dB Strahlbreite von 17 Grad und einem Spitzen-Nebenkegelpegel unter 0 dBi auf (Abbildung 12). Nach der Anwendung einer Phasenverschiebung von 120 Grad zwischen jedem Element der 5G-Anordnung wird der Strahl um 24,5 Grad zur Seite abgetastet, wie in Abbildung 13 dargestellt. Das Anwenden von Phasenverschiebungen von -180, -120, -60, 0, 60 und 120 Grad auf die Vorschübe erzeugt eine Reihe von Strahlen aus der Anordnung, wie in Abbildung 14 dargestellt, wobei alle Strahlen gleichzeitig dargestellt werden.

Abbildung 12: Das Verstärkungsmuster des 5G-Arrays mit Nullphasenverschiebung 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 120 Grad Phasenverschiebung zwischen den Elementen zeigt einen um 24,5 Grad geneigten Strahl in der XY-Ebene.

Abbildung 14: Sechs mögliche Strahlen des 5G-Arrays sind in 3D- und 2D-Verstärkungsmustern für die Fälle einer Phasenverschiebung zwischen Elementen von 180, 120, 60, 0, -60 und -120 Grad dargestellt.

Zusammenfassung

Eine vereinfachte Smartphonevorrichtung mit einer 4G-Antenne in Kombination mit einer 5G-Anordnung bei 28 GHz wird für verschiedene Konfigurationen der 5G-Anordnung in Bezug auf die 4G-Antenne ausgewertet. Eine Best-Case-Konfiguration mit dem 5G-Antennenversatz von 2 mm senkrecht zur 4G-Antenne wurde mit Ergebnissen gefunden, die darauf hindeuten, dass es fast keine Interaktion zwischen den 4G- und 5G-Elementen gibt.

Referenz:

1] T. Yamagajo, Y. Koga, M. Kai, T. Tonooka, H. Sumi und M. Hoshino, "A Nobel 4G and 5G Antenna Solution for Future Smartphones", IEEE Antennen und Propagation Society Int. Symp., S. 1785-1786, 2018.