Da sich die Telekommunikationsstandards zunehmend auf höhere Frequenzen wie Millimeterwellen verlagern, ist es notwendig geworden, Antennenarrays in Kommunikationssysteme zu integrieren. Diese komplexeren Arrays ermöglichen eine höhere Verstärkung und schmalere Strahlungsdiagramme, wodurch die für diese Frequenzen typischen hohen Übertragungsverluste überwunden und der von diesen neuen Standards versprochene höhere Durchsatz erreicht werden kann. Selbst bei kleinen Arrays mit nur wenigen Elementen kann es schwierig sein, die mit verschiedenen Leistungs- und Phasenkombinationen erzielbare Abdeckung vollständig zu verstehen. Wenn Arrays größer werden und Dutzende oder sogar Hunderte von Elementen umfassen, sind fortschrittliche Werkzeuge erforderlich, um die Funktionsweise und Wirksamkeit des Designs vollständig zu beschreiben. Die elektromagnetische Simulationssoftware XFdtd® enthält Analysewerkzeuge zur schnellen Charakterisierung der Leistung von Antennenarrays für Beamforming- und Beam-Steering-Anwendungen. Die Superposition ermöglicht die schnelle Synthese komplexer Probleme aus Basisdaten, die aus einer elektromagnetischen Simulation gewonnen wurden, indem Daten in einem linearen Raum schnell überlagert werden.
Betrachten wir beispielsweise mehrere Antennen in einem Problemraum. Die erforderlichen Daten, wie S-Parameter, Wirkungsgrad und Fernfeld, werden in der EM-Simulation einmalig für jede relevante Antenne berechnet. Diese können schnell mit komplexer Skalierung kombiniert werden, um das Strahlungsdiagramm sowie die zugehörigen aktiven S-Parameter und den Wirkungsgrad für jede gewünschte Kombination aus Antennenleistung und Phasenlage zu ermitteln. In Fällen, in denen bestimmte Optionen für Anschlussleistung und Phasenlage im Voraus bekannt sind, wird das resultierende Fernfeldmuster sofort in der Nachbearbeitung berechnet.
Abb. 1 Muster einer linearen Anordnung von 1×8 (a) und zwei linearen Anordnungen von 1×4 (b) Patch-Elementen, simuliert mit der Überlagerungsfunktion in XFdtd.
Ein zweiter Fall liegt vor, wenn die spezifischen Strahlrichtungen im Voraus bekannt sind und die Leistung sowie die Phasenlage der Anschlüsse so gewählt werden sollen, dass die effektive isotrope Strahlleistung (EIRP) in diesen Richtungen maximiert wird. Mithilfe statistischer Analysen lässt sich die von der Antennenanordnung für alle möglichen Richtungen bereitgestellte Abdeckung durch die Berechnung der kumulativen Verteilungsfunktion der EIRP ermitteln, die den prozentualen Anteil des sphärischen Fernfeldvolumens mit positivem Gewinn bei einer gegebenen Eingangsleistung angibt.
Wir können auch ein 1x8-Array aus 28-GHz-Patch-Antennenelementen untersuchen, bei dem die Phasenlage zwischen den Elementen mithilfe der Überlagerungsfunktion in 30-Grad-Schritten von -90 bis 90 Grad durchlaufen wird. Es entstehen sieben einzigartige Strahlen, die einen Fächerstrahl zwischen -30 und 30 Grad fokussieren, wie in Abbildung 1a dargestellt. Wird das Array in einer Konfiguration mit zwei benachbarten 1x4-Subarrays verwendet, kann die Überlagerungsfunktion genutzt werden, um auch für jedes Subarray separate Muster zu erzeugen, wie in Abbildung 1b gezeigt.
Alternativ steht für Fälle, in denen die gewünschten Strahlrichtungen bekannt sind und die Port-Einstellungen festgelegt werden sollen, die Array-Optimierungsfunktion zur Verfügung. Ein großes, zweidimensionales Array, wie beispielsweise ein 8×8-Patch-Array bei 28 GHz, erzeugt schmale Strahlen, die über einen weiten Richtungsbereich oberhalb des Arrays abgetastet werden können. Abbildung 2 zeigt das mit dem Array-Optimierungstool erstellte Max-Hold-Muster für einen Fall, bei dem die Strahlen alle 15 Grad in azimutaler Richtung und mit einem Elevationswinkel von 30 Grad unterhalb der Normalen gewünscht sind. Nach der Berechnung liegen die erforderlichen Portleistungen und Phasenanforderungen der Elemente zur Bildung jedes Strahls vor.
Ein großes Array kann auch als eine Gruppe kleinerer Sub-Arrays betrieben werden, die unabhängig voneinander arbeiten. In Abbildung 3 ist dasselbe 8×8-Array dargestellt, das als eine Gruppe von vier 4×4-Arrays fungiert, von denen jedes über eigene, individuelle Leistungs- und Phasenkonfigurationen verfügt, um mit bestimmten Empfängern zu kommunizieren. Mithilfe der Array-Analysewerkzeuge lassen sich die Sub-Arrays definieren und ihre Betriebseigenschaften untersuchen.
Abb. 2: Muster einer 8×8-Anordnung von Patch-Elementen, simuliert mit dem Array-Optimierungstool in XFdtd.
Abb. 3: Muster eines 8×8-Arrays aus Patch-Elementen, das aus vier unabhängigen 4×4-Subarrays besteht und mit den Array-Analysewerkzeugen in XFdtd simuliert wurde.
Mehrere Antennenanordnungen an einem einzigen Gerät werden zur räumlichen Diversität genutzt, um eine Abdeckung über einen größeren Winkelbereich zu gewährleisten, als dies mit einer einzelnen Antennenanordnung möglich wäre. Ein möglicher Anwendungsfall hierfür wäre ein 5G-Mobiltelefon mit mehreren Antennenanordnungen, die an den Rändern des Telefons angeordnet sind. Vier Arrays, die sich an den Seiten, oben und unten an einer Handyhülle befinden, wie in Abbildung 4 dargestellt, sind jeweils vierelementige Patch-Arrays, die einen steuerbaren Strahl erzeugen können, der einen weiten Bereich senkrecht zum Array abdeckt. In Kombination können die Arrays eine Abdeckung in mehrere Richtungen bieten, was am besten anhand der Berechnung der CDF der EIRP veranschaulicht wird. Diese eindimensionale Funktion beschreibt den Prozentsatz der Fernfeldkugel, der von einem Array bei einer gegebenen Eingangsleistung abgedeckt wird. In Abbildung 5 sind CDF-Diagramme der EIRP für verschiedene Kombinationen der Arrays an den Rändern des Mobiltelefons dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die einzelnen Arrays allein bei einer typischen Eingangsleistung von 23 dBmW in etwa 66 % (1 – 0,34 aus dem CDF-Diagramm) der Richtungen einen positiven Gewinn liefern. Die Abdeckung verbessert sich auf etwa 90 %, wenn zwei Arrays in einer der Ecken kombiniert werden, und eine vollständige Abdeckung wird erreicht, wenn Arrays auf gegenüberliegenden Seiten des Telefons zusammen verwendet werden.
Abb. 4: Vier 1x4-Patch-Arrays, die in einem Mobiltelefon verteilt sind, um eine breite räumliche Abdeckung zu ermöglichen.
Abb. 5: EIRP-Verteilungsfunktionen der Patch-Antennen im Mobiltelefon.
Da die Leistungsfähigkeit von Geräten durch die steigenden Anforderungen von 5G-Hochfrequenzsystemen auf ein neues Niveau gehoben wird, wächst der Bedarf an umfassenderen Analysewerkzeugen für komplexe Antennensysteme weiter. XFdtd vereinfacht das Verständnis der Geräteleistung, indem es effiziente Möglichkeiten zur Überprüfung der Abdeckung von Antennenarrays bietet.
