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Einführung
Dieses Beispiel zeigt die Leistungsfähigkeit eines Antennen-Arrays für drahtlose 140-GHz-Kommunikation, z. B. für den Einsatz in einer 6G-Anwendung. Das Basiselement besteht aus einem TE 340-Mode-Substrat-integrierten Hohlraum (SIC), der mit einem 2x2-Schlitz-Antennen-Subarray aus Niedrigtemperatur-Keramik (LTCC) angeregt wird. Die Basiselemente werden zu einem 8x8-Array mit einer großen Bandbreite von 130 bis 145 GHz, einem Spitzengewinn von 20,5 dBi, stabilen Strahlungsdiagrammen über den gesamten Frequenzbereich, einem Wirkungsgrad von etwa 60 %, geringer Größe und vereinfachter Konstruktion kombiniert. Die Simulationen wurden in der XFdtd EM Simulationssoftware durchgeführt und basieren auf dem in (1) vorgestellten ursprünglichen Antennendesign.
Geräteentwurf und Simulation
Die Antennengruppe besteht aus 8x8 Elementen, die durch zwei Arten von integrierten Leistungsteilern mit H-Übergangssubstrat verbunden sind. Jedes einzelne Element (siehe Abbildung 1) besteht aus vier Metallschichten, die durch LTCC-Substratschichten aus Ferro A6M mit einer Dielektrizitätskonstante von 5,9 und einem Verlusttangens von 0,002 getrennt sind. Die oberste Schicht hat zwei TE 210-Mode-Substrat-integrierte Kavitäten (SIC), die durch Durchkontaktierungen definiert sind, die in Abbildung 1 und in Abbildung 2 auf der obersten Metallschicht sichtbar sind. Abbildung 2 zeigt auch die zweite Metallschicht mit vier strahlenden Schlitzen. Abbildung 3 zeigt die Metallschicht 3 mit den Durchkontaktierungen, die den SIC definieren und die vier Schlitze aus Abbildung 2 speisen, sowie zwei passende Pfosten in der Mitte des Hohlraums. In der Mitte der Metallschicht 3 befindet sich ein Schlitz der unteren Speiseschicht. Die untere Schicht ist in Abbildung 4 dargestellt, wo die Durchkontaktierungen den substratintegrierten Wellenleiter (SIW) der Zuführung definieren. Der einzelne Anpassungspfosten im SIW ist ebenfalls sichtbar, ebenso wie eine Hohlleitereinspeisung, die an der Öffnung in XFdtd angebracht ist.
Bild 1: Ein dreidimensionales CAD-Rendering des SIC-angeregten 2x2-Antennenelements ist mit Metallschichten in grün und LTCC-Schichten in rot dargestellt.
Abbildung 2: Der Hohlraum der obersten Schicht des Antennenelements ist mit den vier Strahlerelementen in der Metallschicht Nr. 2 dargestellt, die in die integrierten Hohlräume des TE210-Substrats einspeisen.
Abbildung 3: Der TE340-Mode-SIC oberhalb der Metallschicht Nr. 3 ist mit dem Einspeisungsschlitz in der Mitte und den beiden passenden Pfosten oberhalb und unterhalb des Schlitzes dargestellt.
Abbildung 4: Die Einspeisung in die Antenne erfolgt über eine Speiseschicht oberhalb der Metallschicht Nr. 4, die einen SIW-Bereich und einen Anpassungspfosten unterhalb des Speiseschlitzes der Metallschicht Nr. 3 enthält (nicht dargestellt).
Nach der EM-Simulation zeigt die resultierende Rückflussdämpfung, die in Abbildung 5 dargestellt ist, eine Bandbreite von -10 dB für das einzelne Element von 131,63 bis 146,45 GHz. Der Gewinn an einem Punkt oberhalb des Elements ist in Abbildung 6 über der Frequenz aufgetragen und zeigt Werte von 9 bis 11,5 dBi über die Bandbreite der Antenne. In Abbildung 7 sind die Gewinnmuster in den beiden Hauptebenen bei 131 GHz mit breiter Abstrahlbreite dargestellt. Ähnliche Gewinndiagramme sind in Abbildung 8 für 135 GHz, in Abbildung 9 für 140 GHz und in Abbildung 10 für 147 GHz zu sehen. Diese Darstellungen zeigen die Stabilität der Muster über einen breiten Frequenzbereich.
Abbildung 5: Die Rückflussdämpfung für ein einzelnes 2x2-Antennenelement zeigt eine gute Leistung unter -10 dB von etwa 132 GHz bis 146 GHz.
Abbildung 6: Der Gewinn im Verhältnis zur Frequenz ist an einem Punkt direkt über dem Antennenelement aufgetragen und zeigt einen Gewinn von 9 dBi an den Rändern bis zu einem Spitzenwert von 11,5 dBi in der Mitte des Frequenzbereichs.
Abbildung 7: Bei 131 GHz hat das Antennenelement einen ähnlichen Co-Pol-Gewinn in den beiden Hauptebenen. Die kreuzpolarisierte Strahlung ist deutlich reduziert.
Abbildung 8: Der Antennengewinn in den Hauptebenen bei 135 GHz zeigt eine ähnliche Leistung mit einer leichten Verengung in der YZ-Ebene im Vergleich zur XZ-Ebene.
Um das Array zu bilden, wird ein primärer H-Übergang-Leistungsteiler mit einem einzigen Eingangsanschluss von der Quelle in der Mitte und vier Ausgangsanschlüssen entworfen, die jeweils einen sekundären H-Übergang mit Antennenelementen speisen. Der in SIW konstruierte primäre H-Übergang ist in Abbildung 11 dargestellt. Bei der Simulation mit Hohlleiteranschlüssen an jedem der Ein- und Ausgänge liegt die Rückflussdämpfung über einen Frequenzbereich von 120 bis 150 GHz unter -10 dB, wie in Abbildung 12 dargestellt. Die in Abbildung 13 dargestellte sekundäre H-Verzweigung hat einen Eingangsanschluss in der unteren Mitte und vier Ausgangsanschlüsse, die jeweils mit einem Antennenelement wie in Abbildung 1 verbunden werden. Wie in Abbildung 14 dargestellt, liegt die Rückflussdämpfung der sekundären H-Verzweigung ebenfalls unter -10 dB für den gesamten Frequenzbereich von 120 bis 150 GHz.
Abbildung 9: Bei 140 GHz zeigen die Antennengewinndiagramme eine ähnliche Leistung in den beiden Hauptebenen mit einer etwas breiteren Abstrahlbreite in der XZ-Ebene.
Abbildung 10: Bei 147 GHz haben die Antennengewinndiagramme immer noch einen ähnlichen Gewinn wie bei den niedrigeren Frequenzen, aber der Gewinn in der YZ-Ebene ist nicht so breit wie in der XZ-Ebene, und der kreuzpolarisierte Gewinn steigt auf höhere Werte an.
Abbildung 11: Der primäre H-Übergang, der das Eingangssignal von der Quelle auf die vier sekundären H-Übergänge verteilt, ist mit dem Eingangsanschluss in der Mitte unten und den vier Ausgangsanschlüssen in den Ecken dargestellt.
Abbildung 12: Die Rückflussdämpfung für den primären H-Übergang weist über den gesamten interessierenden Frequenzbereich eine gute Leistung auf.
Abbildung 13: Die sekundäre H-Verzweigung teilt das Eingangssignal der primären H-Verzweigung und verteilt es auf die vier Antennenelemente. Der Eingangsanschluss befindet sich unten in der Mitte der Verzweigung, während die Ausgangsanschlüsse in den vier Ecken liegen.
Abbildung 14: Die Rückflussdämpfung der sekundären H-Verzweigung weist über den gesamten interessierenden Frequenzbereich eine gute Leistung auf, ähnlich wie die der primären H-Verzweigung.
Das endgültige 8x8-Array wird zusammengebaut, indem vier der sekundären H-Abzweigungen an die primären H-Abzweigungsausgänge angeschlossen werden, wie in Abbildung 15 dargestellt. An jedem der vier Ausgangsanschlüsse jeder sekundären H-Verzweigung wird ein Antennenelement angebracht. Die endgültige Struktur wird auf einer größeren Grundplatte mit den Maßen 25 x 10 x 0,616 mm platziert, wobei das Array an einem Ende positioniert ist und ein Hohlleiterspeiseanschluss mit einer SIW-Leitung verbunden ist, die an den Eingangsanschluss des primären H-Übergangs anschließt. Die sich daraus ergebende Struktur ist in Abbildung 16 dargestellt, und eine Ansicht der Array-Elemente von oben nach unten ist in Abbildung 17 zu sehen.
Abbildung 15: Die vollständige Leistungsteilerschicht ist dargestellt, wobei das Eingangssignal von unten kommt und den primären H-Übergang mit den roten Durchkontaktierungen speist. Die vier sekundären H-Übergänge sind mit den hellgrünen Durchkontaktierungen sichtbar. Jeder sekundäre H-Übergang wird mit vier Antennenelementen verbunden.
Abbildung 16: Die vollständige Struktur des Antennen-Arrays ist mit den 8x8-Elementen oben auf einer 25x10 mm großen, geschichteten Platte zu sehen.
Abbildung 17: Eine Draufsicht auf die 8x8-Antennenelemente ist zu sehen.
Abbildung 18: Die Rückflussdämpfung für das gesamte Array liegt von 130 bis 146 GHz meist unter -10 dB.
Abbildung 19: Die Verstärkung des Arrays an einem Punkt direkt darüber variiert gleichmäßig von 17,5 dBi an den Rändern bis zu einer Spitze von 21 dBi bei 140 GHz.
Abbildung 20: Die Verstärkungsmuster in den Hauptebenen bei 131 GHz zeigen eine ähnliche Form mit Nebenzipfeln unter 10 dB unterhalb der Spitze und geringer kreuzpolarisierter Verstärkung.
Die Rückflussdämpfung für die gesamte Struktur liegt bei etwa -10 dB für eine Bandbreite von 130 GHz bis 146 GHz, wie aus der Darstellung in Abbildung 18 hervorgeht. Die Verstärkung über dem Array variiert zwischen etwa 19,5 dBi an den Endpunkten von 130 GHz und 146 GHz bis zu einer Spitze von fast 21 dBi bei 140 GHz. In den Hauptebenen hat das Verstärkungsmuster eine Spitze bei 0 Grad mit Nebenkeulen von mindestens 10 dB unterhalb der Spitze. Die Verstärkungsdiagramme für 131 GHz, 135 GHz, 140 GHz und 144 GHz sind in Abbildung 20, Abbildung 21, Abbildung 22 bzw. Abbildung 23 dargestellt. Dreidimensionale Ansichten der Verstärkungsmuster bei denselben Frequenzen sind in Abbildung 24, Abbildung 25, Abbildung 26 und Abbildung 27 zu sehen, wobei die Form des Musters und der Verstärkungsgrad recht ähnlich sind und nur geringe Abweichungen der Array-Leistung von der Frequenz zeigen. In Abbildung 28 ist der Wirkungsgrad des Arrays mit Werten um 60 % für den gesamten Frequenzbereich dargestellt.
Abbildung 21: Die Verstärkungsmuster bei 135 GHz zeigen ein ähnliches Verhalten wie die bei 131 GHz.
Abbildung 22: Bei 140 GHz werden die Nebenkeulen etwas größer, bleiben aber mindestens 10 dB unter dem Spitzenwert.
Abbildung 23: Am oberen Ende des Frequenzbereichs bei 144 GHz sind die Verstärkungsmuster denjenigen bei den anderen Frequenzen sehr ähnlich.
Abbildung 28: Der Wirkungsgrad der Antennengruppe beträgt etwa 60 % über den gesamten interessierenden Frequenzbereich.
Schlussfolgerung
Dieses Beispiel zeigt die Leistung einer 8x8-Antennengruppe bei 140 GHz, die aus mehreren in das Substrat integrierten Hohlräumen besteht. Das Array weist über einen breiten Frequenzbereich nur geringe Schwankungen in der Form und den Pegeln des Gewinnmusters auf. Dieses Antennen-Array könnte für die drahtlose Kommunikation in zukünftigen 6G-Anwendungen nützlich sein.
Referenz
J. Xiao, X. Li, Z. Qi und H. Zhu, "140-GHz TE340 -Mode Substrate Integrated Cavities-Fed Slot Antenna Array in LTCC," in IEEE Access, vol. 7, pp. 26307-26313, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2900989.
