Dieses Beispiel demonstriert eine Antennenarray-Simulation für 5G 60 GHz-Anwendungen der drahtlosen Kommunikation für tragbare Geräte wie Virtual-Reality-Headsets. Das Antennendesign für dieses Beispiel stammt aus der Arbeit [1] von Hong und Choi von der Hanyang University. Das Array besteht aus vier Elementen, die jeweils zwei Patches und ein parasitäres Element enthalten. Das parasitäre Element trägt dazu bei, einen breiteren Strahl in einer Dimension zu erzeugen, um eine bessere Abdeckung zu erreichen. Die Strahlen können durch Variation der Phasenverschiebung zwischen den Elementen gesteuert werden, um eine nahezu halbkugelförmige Abdeckung zu erreichen.
Das vorgeschlagene Array-Design ist in Abbildung 1 dargestellt, wobei das rote Material das Substrat (Taconic TLY, relative Permittivität von 2,2 und Verlusttangente von 0,0009) und das grüne Material Kupfer ist. Die unterste Schicht der Antenne ist das Substrat mit einer darunter liegenden Grundplatte. Über dieser Schicht liegen 50-Ohm-Zuleitungen, die eine Impedanzanpassung durchlaufen, bevor sie das erste Patch erreichen, und eine 70-Ohm-Leitung, die mit dem zweiten Patch verbunden ist. Diese Patch-Elemente werden von einer weiteren Substratschicht bedeckt, auf der sich parasitäre Elemente befinden, die senkrecht zu den 70-Ohm-Leitungen verlaufen. Die zweite Schicht ist in der dreidimensionalen Ansicht der Struktur in Abbildung 2 sichtbar. Die Elemente sind in einem Abstand von einer halben Wellenlänge angeordnet und werden durch Nodal Waveguide Ports mit variabler Phase gespeist.
Abbildung 1: Es handelt sich um eine Draufsicht auf das Antennen-Array, bei der die Substratschichten in rot und die metallischen Zuleitungen und parasitären Elemente in grün dargestellt sind. Die Patches sind als Umrisse dargestellt, da sie von einer zweiten Substratschicht bedeckt sind.
Abbildung 2: Das Antennen-Array ist dreidimensional dargestellt, wobei der Rand der oberen Substratschicht über den Patches besser sichtbar ist. Die vier nodalen Hohlleiteranschlüsse sind auf der Oberseite des Arrays sichtbar.
Zunächst wird die Antennengruppe für die Analyse der Rückflussdämpfung und des Gewinns allein simuliert. Zur Berechnung der S-Parameter wird jeder Anschluss einzeln simuliert, während die anderen mit einer 50-Ohm-Last abgeschlossen werden. Die resultierende Rückflussdämpfung für jeden Anschluss ist in Abbildung 3 dargestellt, und die Antwort jedes Anschlusses ist den anderen recht ähnlich. Die Simulationen werden auch ohne die parasitären Elemente durchgeführt, um die Auswirkungen ihrer Einbeziehung auf die Rückflussdämpfung zu demonstrieren. Wie in Abbildung 3 zu sehen ist, verschieben die parasitären Elemente die Resonanz der Antenne in eine höhere Frequenz und verringern die Tiefe der S11-Null. Wenn die Antenne mit allen aktiven und gleichphasigen Anschlüssen simuliert wird, wird das Breitseitengewinndiagramm wie in Abbildung 4 gezeigt berechnet. Hier ist zu erkennen, dass das Muster ohne die parasitären Elemente tiefe Nullstellen um +/- 40 Grad aufweist, die unerwünscht sind. Durch die Einbeziehung der parasitären Elemente werden die Nullstellen reduziert und das Array erzeugt einen breiten Fächerstrahl. Dieser Strahl ist in Abbildung 5 besser in drei Dimensionen dargestellt, wo das Muster in vertikaler Richtung breit und in horizontaler Richtung schmal (3-dB-Strahlbreite von 24 Grad) ist.
Abbildung 3: Die Rückflussdämpfung für jedes Element des Arrays ist recht ähnlich. Die Hinzufügung des parasitären Elements verschiebt den Frequenzgang nach oben und verringert die Nulltiefe.
Abbildung 4: Das Verstärkungsmuster auf der Breitseite des Arrays ist mit den parasitären Elementen recht breit. Ohne die parasitären Elemente gibt es unerwünschte Nullstellen im Muster.
Abbildung 5: Das dreidimensionale Verstärkungsmuster für den gleichphasigen Fall zeigt eine Spitzenverstärkung zur Seite mit einem fächerförmigen Muster.
Mit diesem Array ist eine Strahlsteuerung möglich, indem die Phasenverschiebung zwischen den Elementen variiert wird. In Abbildung 6 ist das Array mit einem Strahl dargestellt, der durch eine Phasenverschiebung von 90 Grad zwischen den Elementen um 30 Grad in die Horizontale gelenkt wird. In Abbildung 7 sind sieben mögliche Strahlen dargestellt, indem die Phasenverschiebung von -90 bis 90 in 30-Grad-Schritten variiert wird.
Abbildung 6: Bei einer Phasenverschiebung von 90 Grad zwischen den Antennenelementen verschiebt sich der Strahl um etwa 30 Grad zur Seite.
Abbildung 7: Durch Verschieben der Phasenverschiebung von -90 bis 90 Grad in 30-Grad-Schritten werden sieben Strahlen erzeugt, die einen großen Bereich abdecken.
Das Antennen-Array wird als nächstes auf ein Virtual-Reality-Headset auf einem Phantomkopf montiert, um eine mögliche Anwendung zu demonstrieren (siehe Abbildung 8). Aufgrund der sehr großen Größe des Kopfes bei 60 GHz wird für diese Demonstration nur ein Teil des gesamten Problembereichs simuliert (siehe Abbildung 9). In Abbildung 10 ist der Primärstrahl des Arrays (alle Elemente in Phase) im Vergleich zum Kopfhörer und Phantom dargestellt. Bei einer Phasenverschiebung von 90 Grad zwischen den Elementen verschiebt sich der Strahl um etwa 30 Grad zu einer Seite, wie in Abbildung 11 zu sehen ist. In Abbildung 12 sind beide Strahlen gleichzeitig zu sehen.
Die Verlustleistung auf der Oberfläche des Phantoms ist bei diesen Anwendungen ebenfalls von Interesse und kann mit XFdtd berechnet werden. In Abbildung 13 ist die Verlustleistung des am Headset montierten Arrays auf der ausgewerteten Oberfläche des Phantom-Modells dargestellt.
Abbildung 8: Das Antennen-Array ist auf einem Virtual-Reality-Headset montiert. Das Headset ist an einem Phantomkopfmodell befestigt.
Abbildung 9: Aufgrund der Größe des Problemraums wird für die eigentlichen Simulationen ein Ausschnitt des Headset-/Kopfmodells verwendet.
Abbildung 10: Das berechnete Verstärkungsmuster für den Fall, dass alle Elemente in Phase sind, zeigt eine starke Verstärkung von fast 15 dBi und einen fächerförmigen Strahl.
Abbildung 11: Nach Anwendung einer 90-Grad-Phasenverschiebung zwischen den Elementen ist der Strahl um etwa 30 Grad zur Seite verschoben.
Abbildung 12: In diesem Bild sind beide Strahlen mit 0- und 90-Grad-Phasenverschiebung dargestellt.
Abbildung 13: Die von der Strahlungsanordnung an der Oberfläche des Kopfphantoms abgegebene Leistung wird von der Software berechnet und angezeigt.
Referenz:
[1] Y. Hong und J. Choi, "60 GHz Array Antenna for mm-Wave 5G Wearable Applications," 2018 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC/URSI National Radio Science Meeting, pp. 1207-1208, 2018.