Simulation der Leistung von MIMO-Handset-Antennenarrays mit unterschiedlichen Handpositionen

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Ein Designvorschlag für einen 12-Port  5G massiv MIMO Das mobile Endgerät wurde für den Betrieb im Sub-6-GHz-Bereich vorgestellt, insbesondere für das LTE-Band 42 (3400-3600 MHz), Band 43 (3600-3800 MHz) und Band 46 (5150-5925 MHz)[1]. Dieses Gerät zeigte eine gute Leistung für den 8x8 MIMO-Betrieb in den Bändern 42/43 und 6x6 MIMO-Betrieb in Band 46, indem es mehrere verschiedene Antennendesigns verwendete, die um die Kanten einer Leiterplatte für Mobiltelefone herum angeordnet sind. Hier wird die Leistung der Antenne simuliert in XFdtd zuerst mit dem Mobilteil allein und dann in verschiedenen Konfigurationen mit ein- oder zweihändigem Greifen. Die ausgewerteten Leistungskriterien sind die Rückflussdämpfung, die Isolation zwischen den Antennen, der Wirkungsgrad, die Verstärkung und der Hüllkurven-Korrelationskoeffizient (ECC), der ein Indikator für die Diversität von Antennenpaaren ist.

Antennenanordnung

Abbildung 1: Eine CAD-Ansicht des Gerätes in der XFdtd-Software-Schnittstelle zeigt, wo der Bildschirm und alle Antennen in der XY-Ebene liegen. Die Antennenelemente sind von 1 bis 12 um den Rand des Gerätes herum nummeriert.

Die Vorrichtung ist in Abbildung 1 dargestellt, wo die 12 Antennenelemente sichtbar und um die Kanten der Leiterplatte herum beschriftet sind. Oben und unten links befinden sich Dualband invertierte PI-förmige Antennen, die in allen betrachteten Bändern arbeiten. Diese Antennen werden in den folgenden Abbildungen manchmal als IA bezeichnet und sind als Antennen 1 und 2 nummeriert. Entlang beider Seiten der Antenne befinden sich sechs längere invertierte L-förmige offene Schlitzantennen (LA) für die unteren (LTE 42/43) Bänder und vier kürzere invertierte L-förmige offene Schlitzantennen (SA) für das LTE-Band 46. Die Antennen wechseln zwischen LA und SA an den Seiten mit drei LA- und zwei SA-Antennen pro Seite. Die Nummerierung der Antennen ist 3 bis 7 auf der rechten Seite (die Zahlen 3, 5 und 7 sind LA) und 8 bis 12 auf der linken Seite (wobei 8, 10 und 12 LA sind). Die Dualbandantennen sind mit einem längeren und kürzeren Arm für das untere und höhere Frequenzband ausgestattet. In Abbildung 2 ist die Antenne 1 mit Leitströmen dargestellt, die mit 3,6 GHz auf den längeren Arm und mit 5,5 GHz auf den kürzeren Arm fließen. Zwei Elemente der LA- und SA-Antennen sind in Abbildung 3 zu Vergleichszwecken dargestellt. 

Abbildung 2: Links in der Abbildung sind die von XFdtd berechneten Leitungsströme auf dem längeren Abschnitt des Antennenelements 1 bei 3,6 GHz im LTE-Band 42/43-Bereich dargestellt. Rechts sind die Leitströme am kürzeren Arm des Antennenelements 1 bei 5,5 GHz im LTE-Band 46-Bereich.

Abbildung 3: Oben in dieser Ansicht der XFdtd-Schnittstelle befindet sich eine der längeren Arm Open Slot (LA)-Antennen für den 3,6 GHz-Betrieb am Rand des Gerätes. An der Unterseite befindet sich eine kürzere Arm-Open-Slot (SA)-Antenne für den Einsatz mit 5,5 GHz.

Simulation im Freiraum

Als ein Maß für die Leistung werden die S-Parameter verschiedener Antennen betrachtet, um die Rückflussdämpfung und Isolation der Antennen darzustellen. In Abbildung 4 ist die Rückflussdämpfung für die Antennen 1 und 2 (die oberen und unteren IA-Antennen) zusammen mit dem S21 zwischen ihnen dargestellt. Wie man sieht, haben die Antennen gute Rückflussdämpfungswerte in den unteren LTE 42/43-Bändern und im höheren LTE 46-Band. S21 bleibt über beide Bänder niedrig, was zu erwarten ist, da sich die Antennen an den extremen Enden der Leiterplatte befinden. Die Rückflussdämpfung aller LA-Antennen in den LTE-Bändern 42/43 ist in Abbildung 5 dargestellt. Abbildung 6 zeigt die Rückflussdämpfung der SA-Antennen im Band 46 zusammen mit der Isolation zwischen benachbarten SA-Antennen und zwischen benachbarten SA- und IA-Antennen. Die Isolierung zwischen benachbarten LA-Antennen (und zwischen benachbarten LA- und IA-Antennen) für die unteren Frequenzbänder ist in Abbildung 7 dargestellt. In allen Fällen liegen die Ergebnisse innerhalb der Auslegungstoleranzen von Rückflussdämpfung unter -6 dB (3:1 VSWR) und Isolation -11 dB oder besser.

Abbildung 4: Die S-Parameter für die Antennen 1 und 2 sind über alle Betriebsbänder des Gerätes dargestellt. Es gibt zwei verschiedene Betriebsbereiche: etwa 3,6 GHz und etwa 5,5 GHz. Für beide liegt die Rückflussdämpfung deutlich unter den geforderten Werten, während die von S21 bestimmte Isolation um etwa -18 dB abgesenkt ist.

Abbildung 5: Die Rückflussdämpfung für alle Antennen im unteren Band (LTE 42/43) ist dargestellt und hat sehr gute Ergebnisse.

Abbildung 6: Die Rückflussdämpfung und Isolation von Select-Elementen ist für das höhere Band (LTE 46) mit guten Ergebnissen dargestellt.

Abbildung 7: Die Isolierung zwischen ausgewählten Elementen in den LTE-Bändern 42/43 ist dargestellt.

Die Antennenleistung wird bestimmt, indem man den Wirkungsgrad und die Verstärkung der verschiedenen Elemente über ihre Betriebsbänder betrachtet. In Abbildung 8 ist der Wirkungsgrad der LTE-Band 42/43-Antennen dargestellt und ist für die IA-Antennen (1 und 2) angemessen und für die LA-Antennen (3, 5, 7, 8, 10 und 12) moderat. Im LTE 46-Band ist die Antennenleistung besser, mit Wirkungsgraden über 50%, wie in Abbildung 9 dargestellt. Die Verstärkung wird in der XY-Ebene (der Ebene des Gerätebildschirms) für verschiedene Kombinationen von Antennen dargestellt. In jedem Fall sind die Antennenverstärkungsmuster so ausgelegt, dass sie von der Mitte des Gerätes wegstrahlen. In Abbildung 10 ist der Gewinn für die IA-Antennen an den LTE-Bändern 42/43 dargestellt und kann als maximaler Gewinn in einem Winkel von 45 Grad von der Antenne in Richtung der Ecke des Gerätebildschirms gesehen werden. In Abbildung 11 ist der Gewinn für die LA-Antennen im LTE 42/43-Band auf der rechten Seite des Telefons dargestellt, und in jedem Fall liegt der maximale Gewinn entlang der X-Achse, weg von der Bildschirmmitte. In Abbildung 12 ist der Gewinn für die SA-Antennen auf der rechten Seite des Telefons im LTE-Band 46 mit ähnlichen Eigenschaften dargestellt.

Abbildung 8: Die Wirkungsgrade der Antennen im LTE-Band 42/43 sind dargestellt. Die beiden IA-Antennen an den Enden des Telefons (1 und 2) weisen einen höheren Wirkungsgrad von über 60% auf, während die LA-Antennen an den Seiten des Telefons einen niedrigeren Wirkungsgrad von 35 bis 50% aufweisen.

Abbildung 10: Die Verstärkungsmuster in der XY-Ebene für die beiden IA-Antennen zeigen Spitzengewinne in Richtung der jeweiligen Ecken des Gerätes.

Abbildung 9: Die Wirkungsgrade aller Antennen im höheren LTE 46-Band liegen über etwa 50% und zeigen eine gute Leistung.

 

Abbildung 11: Die LA-Antennen haben eine Spitzenverstärkung zum äußeren Rand des Geräts hin. In diesem Fall werden die Antennen auf der rechten Seite des Gerätes mit Spitzenverstärkung in +X-Richtung dargestellt.

 

Abbildung 12: Die SA-Antennen haben eine Spitzenverstärkung zur Außenkante des Gerätes hin, ähnlich den LA-Antennen. Hier sind die Antennen 4 und 6 mit Spitzenverstärkung in +X-Richtung dargestellt.

 

Um die Diversität von Antennenpaaren zu bewerten, ist eine wichtige Maßnahme über die Isolation hinaus der Hüllkurvenkorrekturkoeffizient (ECC). Diese Messung ist nützlich, um festzustellen, wie gut ein Gerät für Diversity und Multiplexing-Anwendungen funktioniert, bei denen es wichtig ist, dass einzelne Antennen unabhängig von anderen funktionieren. Das Grundkriterium für ECC ist ein Wert kleiner als 0,5. Die ECC für verschiedene Antennenpaare im LTE 42/43-Band und LTE 46-Band sind in den Abbildungen 13 und 14 verglichen. Alle Diagramme liegen deutlich unter der 0,5-Grenze, wobei die maximale Korrelation zwischen den Antennen 8 und 10 im LTE 42/43-Band bei etwa 0,15 liegt.

Abbildung 13: Der Envelope Correlation Coefficient (ECC) für die LTE-Band 42/43 Antennen ist mit einem Spitzenwert von 0,15 recht gut.

Simulation mit Händen

Abbildung 14: Der Envelope Correlation Coefficient (ECC) für die LTE-Band 46 Antennen ist sehr gut, wobei keine zwei Antennen höher als 0,05 sind.

Um den Telefonbetrieb unter realistischeren Bedingungen weiter zu testen, werden Handmodelle sowohl in Einhand- als auch in Zweihandkonfigurationen eingeführt, wie in Abbildung 15 dargestellt. Die Positionen sind für linke und rechte Griffe, zwei Hände im Seitenmodus und zwei Hände mit Daumenschreibweise. Abhängig von der Handposition werden bestimmte Antennen abgedeckt und die Leistung beeinträchtigt. Da es jedoch auf beiden Seiten des Geräts mehrere Antennen gibt, stehen in den meisten Situationen immer noch mehrere Antennen mit guter Leistung zur Verfügung.

Abbildung 15: Gezeigt sind die vier Positionen des Posierbare Hand Modell, das in der Studie verwendet wurde, die mit Hilfe von Kontrollen innerhalb von XFdtd positioniert wurden. Im Uhrzeigersinn von oben links: linker Hand halten, zwei Hände an den Seiten, zwei Hände tippen und rechte Hand halten.

Die Leistung der S-Parameter bleibt für alle Handpositionen gut, obwohl in einigen Fällen die Rückflussdämpfung erheblich beeinflusst wird. In Abbildung 16 ist beispielsweise die Rückflussdämpfung für die LTE-Band 42/43-Antennen für die linke und rechte Halteposition dargestellt, und es gibt einen deutlichen Unterschied zur in Abbildung 5 dargestellten Rückflussdämpfung des Telefons allein. Ebenso werden die SA-Antennen, die im LTE-Band 46 betrieben werden, ebenfalls durch die linke und rechte Halteposition verändert, wie in Abbildung 17 dargestellt. Bei den beiden Handhaltepositionen kommt es zu einer geringeren Störung der S-Parameter für dieselben Antennen, da die Hände die Antennen nicht direkt bedecken, wie in den Abbildungen 18 und 19 dargestellt.

Abbildung 16: Wenn die linke und rechte Hand das Telefon halten, werden die Rückflussdämpfungsergebnisse für die LTE-Band 42/43-Antennen geändert, aber immer noch gut genug.

Abbildung 17: Wenn die linke und rechte Hand das Telefon halten, bleiben Rückflussdämpfung und Isolation für die LTE-Band 46 Antennen akzeptabel.

Abbildung 18: In den Zweihandkonfigurationen wird die Rückflussdämpfung im LTE 42/43-Band nur geringfügig verändert und bleibt akzeptabel.

Abbildung 19: Im höheren LTE-Band 46 haben die beiden Handbedienungen nur geringe Auswirkungen auf die Rückflussdämpfung und Isolation.

Wie zu erwarten ist, wird die Effizienz durch die Anwesenheit der Hände stark beeinträchtigt. Die Muster werden unterbrochen und die Kraft im Handgewebe geht verloren, was zu einer schlechteren Leistung führt. Ein extremes Beispiel ist in Abbildung 20 für den Fall der beiden Hände an den Seiten in LTE-Bändern 42/43 dargestellt, wo der Spitzenwirkungsgrad nur etwa 35% beträgt. Andere untersuchte Fälle hatten eine bessere Leistung.  

 

Abbildung 20: Die Effizienz wird stark von den Händen am Telefon beeinflusst. Hier ist der Wirkungsgrad für LTE-Bänder 42/43 für die beiden Hände am seitlichen Gehäuse ohne Antenne über 35% Wirkungsgrad dargestellt.

 
 

Die Verstärkungsmuster werden durch die Handpositionen am Telefon verständlicherweise beeinflusst. Abbildung 21 zeigt die dreidimensionalen Muster der sechs LA-Antennen an den LTE-Bändern 42/43 allein für das Telefon. Wenn die linke Hand das Telefon hält, wie in Abbildung 22 dargestellt, werden einige der Muster, insbesondere die Antenne 10 durch den Daumen, stark beeinträchtigt und zeigen deutlich weniger Verstärkung. Für die höherfrequenten LTE-Band 46 SA-Antennen an den Seiten gibt es relativ einheitliche Muster, wenn das Gerät allein ist, wie in Abbildung 23. Mit den Händen an den Seiten und dem Finger neben den beiden unteren Antennen, wie in Figur 24 dargestellt, werden die Muster auf den unteren Antennen (4 und 6) gegenüber den oberen Antennen (9 und 11) reduziert. Bei der Konfiguration mit zweihändiger Tippfunktion und den gleichen Antennen zeigen die oberen Antennen einen Anstieg des Verstärkungsfaktors aufgrund des Vorhandenseins der Daumen in der Mitte des Bildschirms, wie in Abbildung 25 dargestellt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Spitzengewinne für alle Konfigurationen in den Tabellen 1 und 2 aufgeführt sind.

Abbildung 21: Dreidimensionale Verstärkungsmuster der sechs LA-Antennen sind bei 3,6 GHz (LTE-Bänder 42/43) für den Fall dargestellt, dass das Gerät allein im freien Raum steht. Jede Antenne strahlt ein Muster mit Spitzenverstärkung auf die Außenkanten der Vorrichtung ab, wie gewünscht.

Abbildung 22: Wenn die linke Hand das Telefon im LTE-Band 42/43 hält, werden die Verstärkungsmuster geändert und das Mittelmuster unter dem Daumen (Antenne 10) wird stark reduziert.

Abbildung 23: Im LTE-Band 46 werden die dreidimensionalen Verstärkungsmuster mit Spitzenverstärkung zur Außenseite der Vorrichtung hin dargestellt.

Abbildung 24: In den beiden Händen an der seitlichen Position im LTE-Band 46 werden die Verstärkungsmuster an der Unterseite des Telefons (Antennen 4 und 6) durch die Anwesenheit der Finger gestört und gegenüber den oberen Mustern reduziert.

 

Abbildung 25: In der Zweihand-Tippkonfiguration im LTE-Band 46 werden die oberen Muster (Antennen 9 und 11) durch die Wirkung der Daumen mit einem Reflektoreffekt verstärkt.

 

Tabelle 1: Die Spitzenverstärkungen für jede Antenne bei 3,6 GHz (LTE-Bänder 42/43) sind für die fünf Konfigurationen dargestellt.

 

Tabelle 2: Die Spitzenverstärkungen für jede Antenne bei 5,5 GhHz (LTE-Band 46) sind für die fünf Konfigurationen dargestellt.

 

Wie zu erwarten ist, werden die ECC-Ergebnisse auch durch die Anwesenheit der Hände beeinflusst. In allen Fällen bleibt die ECC jedoch wie gewünscht deutlich unter dem Schwellenwert von 0,5. Die Worst-Case ECC-Ergebnisse beziehen sich auf die linke und rechte Hand Halteposition in den LTE-Band 42/43-Antennen, wo die ECC bis zu 0,4 erreichen kann, wie in den Abbildungen 26 und 27 dargestellt. Alle Fälle im LTE-Band 46 bleiben mit einem ECC unter 0,2.

Abbildung 26: Der Worst-Case ECC ist für den rechten Handheld-Fall bei den LTE-Bändern 42/43 dargestellt, wo die Korrelation zwischen den Antennen 3 und 5 bis zu 0,4 erreicht. Dieser liegt immer noch unter der Schwelle von 0,5.

Abbildung 27: In der linken Halteposition an den LTE-Bändern 42/43 ist die ECC für die Antennen 8 und 10 mit einem Spitzenpegel um 0,33 am höchsten.

Die 12-Port-Antenne bietet eine sehr gute Leistung bei einer Vielzahl von Anwendungskonfigurationen. Während einige Handplatzierungen die Leistung der abgedeckten Antennen beeinträchtigen, gibt es andere Antennen, die für den Betrieb zur Verfügung stehen.

Referenz:

1] Yixin Li, Chow-Yen-Desmond Sim, Yong Luo und Guangli Yang, "12-Port 5G Massive MIMO Antenna Array in Sub-6GHz Mobilteil für LTE-Bänder 42/43/46 Anwendungen", IEEE Access Vol. 6, S. 344-354, 2018.