FDTD-Simulation: Optimierung des Anpassungsnetzwerks einer LTE-Antenne

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Eine einfache Antenne für den LTE-Bandbetrieb wird der Leiterplatte eines Smartphones hinzugefügt. XFdtd und die Anpassungsschaltung ist für den Betrieb in mehreren Frequenzbändern abgestimmt. Die Komponenten im passenden Netzwerk werden ausgewählt, um die Systemeffizienz zu maximieren. 

Abbildung 1 zeigt die verwendete Antenne, bei der es sich um einen einfachen, aus der Mitte gespeisten Streifen handelt. Man kann sich zwei aufeinanderfolgende invertierte L-Antennen unterschiedlicher "oberer" Länge vorstellen, obwohl die Betriebsarten komplizierter sind. Abbildung 2 zeigt die Systemeffizienz dieser Antenne bei direkter Einspeisung und zeigt, dass eine Anpassung zur Leistungssteigerung erforderlich ist.
 

Abbildung 1: LTE-Antenne ohne Anpassungsnetzwerk.

Abbildung 2: Systemeffizienz einer unangepassten Antenne.

Mobiltelefone sind für die Arbeit über mehrere von einem Betreiber definierte Frequenzbänder vorgesehen. Tabelle 1 zeigt die erforderlichen LTE-Bänder für dieses Beispiel.

 
Tabelle 1: Vom Bediener definierte Frequenzbänder.

Tabelle 1: Vom Bediener definierte Frequenzbänder.

 

Um eine maximale Leistungsübertragung und Effizienz zu gewährleisten, wird ein Anpassungsnetzwerk zwischen Einspeisung und Antenne eingesetzt. Das Ziel der Entwurfskriterien ist die Herstellung einer Antenne und einer Anpassungsschaltung, die einen durchschnittlichen Systemeffizienz von mindestens 65 % über alle Betriebsbänder hinweg bietet. Um die Designziele zu erfüllen, wird die passende Schaltung aus Figur 3 gewählt. Abbildung 4 zeigt die Antenne und die Anpassungsschaltung im XF und Abbildung 5 zeigt das Schaltungslayout im Detail.

 

Abbildung 3: Schematische Darstellung des passenden Netzwerks.

 

Abbildung 4: Layout des passenden Netzwerks.

Abbildung 5: Details des passenden Netzwerklayouts.

Das Ziel in diesem Fall ist es, eine Reihe von echten Kondensatoren und Induktivitäten von Murata zu finden, die in der Anpassungsschaltung dieser mobilen Vorrichtung verwendet werden können. Basierend auf dieser Anwendung und den ungefähren Größenanforderungen aus unserem physikalischen Schaltungslayout werden die Kondensatoren der Murata GJM- und GRM-Serie in der Größe 0603 (0,6 x 0,3 mm) sowie die Induktoren der Serien LQP03TG, LQP03TN, LQP03TN, LQP03TQ und LQP03HQ als Kandidaten ausgewählt. Da wir mehrere verschiedene Bauteilserien verwenden, werden einige der Kapazitäts- und Induktivitätswerte über mehrere Serien wiederholt. Um alle Komponenten genau darzustellen, werden die Komponenten zur Schaltungsoptimierung als abstimmbare Definition spezifiziert und jede Murata-Komponente wird durch eine separate Gerätedefinition dargestellt. 

Abbildung 6: Eine der Komponentendefinitionen nach dem Import des MDIF.

Hinweis: Anstatt für jede Murata-Komponente eine einzelne .s2p-Datei zu importieren und jedes Mal eine neue Gerätedefinition zu erstellen, können die s2p-Daten für jede Serie in eine MDIF-Datei kompiliert und in die abstimmbare Definition importiert werden. XF erstellt dann automatisch ein neues Gerät für jeden Satz von s2p-Daten in der MDIF-Datei, wie in Abbildung 6 dargestellt. 

Der Schaltungselementoptimierer von XF wird verwendet, um das System mit dem Vollwellen-FDTD-Solver von XF zu charakterisieren. Basierend auf dieser Charakterisierung werden die optimalen Komponenten aus jeder Serie bestimmt. Infolgedessen werden die gewählten Komponentenwerte und deren Murata-Teilenummern in Tabelle 2 angegeben und der entsprechende Systemeffizienz für die angepasste Antenne mit dem unangepassten Fall verglichen, wie in Abbildung 7 dargestellt.

 

Tabelle 2: Optimale Werte der Schaltungskomponenten.

 

Abbildung 7: Systemeffizienz von angepassten und unangepassten Antennen.

Abbildung 8: Systemeffizienz von angepasster Antenne, CEO und FDTD.

Um unsere Ergebnisse aus der Schaltungsoptimierung weiter zu validieren, werden die entsprechenden Netzlistendateien für jede der ausgewählten Murata-Komponenten importiert und zur Definition jeder Komponente in unserer Anpassungsschaltung verwendet, und es wird eine FDTD-Simulation durchgeführt. Die FDTD-Simulation bestätigt die Ergebnisse der Schaltungsoptimierung, wie in Abbildung 8 dargestellt. Nachdem nun ein Satz geeigneter realer Schaltungskomponenten bekannt ist, kann ein funktionsfähiger Prototyp gebaut und die Antennenleistung in einem Labor gemessen werden, um die Simulationsergebnisse zu bestätigen.