Von XFdtd berechnetes 3D-Fernfeld-Richtdiagramm bei 60,48 GHz, das die Breitseitenkeule eines 1×4-Arrays mit aperturgekoppelter Anordnung zeigt.
Einführung
Die Entwicklung eines Phased-Array-Antennensystems mit hoher Verstärkung für das 60-GHz-WiGig-Band erfordert die genaue Erfassung des gesamten elektromagnetischen Verhaltens einer mehrschichtigen, aperturgekoppelten Struktur – einschließlich der S-Parameter-Kopplung zwischen den Elementen, der Fernfeld-Strahlungsmuster und der strahlungsgesteuerten EIRP-Abdeckung. Der Vollwellen-FDTD-Solver von XFdtd, kombiniert mit seinen Nachbearbeitungsfunktionen für Superposition und Array-Optimierung, bewältigt jede Phase dieses Arbeitsablaufs effizient.
Dieses Beispiel modelliert eine doppelte, aus 8 Elementen (2×4) bestehende, aperturgekoppelte Patch-Antenne, die im WiGig-Kanal-2-Band mit einer Mittenfrequenz von 60,48 GHz arbeitet (relevanter Frequenzbereich: 55–65 GHz). Zwei orthogonal ausgerichtete 1×4-Arrays sind auf einer gemeinsamen L-Rahmenstruktur montiert. Die Simulation charakterisiert einzelne Elementmuster, gegenseitige Kopplung (S-Parameter), überlagerte Beamforming-Zustände und strahlungsgesteuerte EIRP – was schließlich in einer CDF der EIRP für jedes Array und einem zusammengesetzten Max-Hold-Diagramm mündet, das die gesamte räumliche Abdeckung zeigt.
Vollwellen-FDTD-Simulation einer mehrschichtigen Millimeterwellen-Struktur
Die Antenne besteht aus einem dreischichtigen dielektrischen Schichtaufbau mit strahlenden Kupferpatches und einem Streifenleitungs-Speisenetzwerk, wie in Abbildung 1 dargestellt. XFdtd importiert die vollständige CAD-Geometrie aus einer .stp-Datei, und jedem Bauteil werden benutzerdefinierte Materialien zugewiesen.
Jeder der acht Speisepunkte wird über eine modale Wellenleiter-Schnittstelle angeregt, wie in Abbildung 2 für die Patches in der oberen Anordnung dargestellt. Es werden XFdtd-Simulationen für jeden der acht Anschlüsse (jeweils einer aktiv) durchgeführt, um die vollständige S-Parameter-Matrix zu berechnen. Die S-Parameter-Daten für Anschluss 1 sind in Abbildung 3 dargestellt, während die dreidimensionalen Gewinnmuster für jedes einzelne Patch in Abbildung 4 zu sehen sind. Diese Simulationsdaten liefern die vollständigen Kopplungsdaten zwischen den Elementen, die für die Superposition und die Nachbearbeitung zur Array-Optimierung erforderlich sind.
Abbildung 3: Die vollständigen S-Parameter-Ergebnisse für eines der Endpatches des oberen (+Z) 1x4-Arrays. Die Rückflussdämpfung (S11) bei 60 GHz liegt bei etwa -18 dB, während die Kopplung zwischen allen anderen Patches weniger als -20 dB beträgt.
Abbildung 4: Die XFdtd-Simulation simuliert jedes Patch einzeln und erzeugt für jedes Patch ein Verstärkungsmuster, das später zusammen mit den S-Parameter-Daten vom Superpositionswerkzeug verwendet wird.
Superpositionssimulation: Array-basierte Strahlformung
Die Superpositionssimulation von XFdtd kombiniert stationäre FDTD-Ergebnisse unter Verwendung festgelegter Amplituden- und Phasengewichte pro Anschluss, ohne den FDTD-Löser erneut auszuführen. Für diese Struktur sind zwei Superpositionen definiert – eine für jedes Vier-Element-Array –, wobei jeweils 23 dBmW verfügbare Leistung pro Anschluss zur Verfügung stehen. Die Definitionen für eine Überlagerung jedes Patches mit einer Phase von 0 Grad sind in Abbildung 5 dargestellt, und das daraus resultierende Muster ist in Abbildung 6 zu sehen. Die Phasengewichte sind im Editor für die Überlagerungsdefinition einstellbar und können durch eine Vielzahl von Einstellungen durchlaufen werden. Dieser Arbeitsablauf zur Phasenanpassung ermöglicht es Ingenieuren, Beamforming-Zustände in der Nachbearbeitung schnell zu bewerten, ohne zusätzliche Rechenzeit zu benötigen.
Abbildung 5: Das Menü „Superposition Simulation“ wird für eine Berechnung angezeigt, die die vier Patches auf der +Z-Fläche der Struktur bei 60,48 GHz umfasst, wobei jedem Patch eine verfügbare Leistung von 23 dBmW bei konstanter Phase zugewiesen wurde.
Abbildung 6: Wenn jeder Patch im +Z-Array mit konstanter Phase angesteuert wird, entsteht ein Breitseitenmuster mit einer Spitzenverstärkung von 12,4 dBi.
Array-Optimierung: Strahlsynthese für maximale EIRP
Die Array-Optimierungsfunktion von XFdtd wendet das Überlagerungsprinzip an, um die Erregungsgewichte – Amplitude und Phase – für jedes einzelne Element zu bestimmen, die die EIRP in einer bestimmten Richtung maximieren. Im Gegensatz zu einer manuellen Überlagerung ermittelt die Optimierung den Erregungszustand, der zur Erzeugung eines Zielstrahls erforderlich ist, anstatt dass der Benutzer diesen festlegen muss.
In Abbildung 7 ist Array 1 für fünf Strahlrichtungen optimiert, die einen Höhenwinkelbereich von −30° bis +30° abdecken (Theta, bei Phi = 90°), während in Abbildung 8 Array 2 über einen Bereich von Azimut-Schnitten optimiert ist (Phi = 150° bis 210°, bei Theta = 90°). Die beiden Arrays sind um 90° versetzt zueinander angeordnet, was eine kombinierte Analyse der räumlichen Abdeckung ermöglicht.
CDF der EIRP und Analyse der maximalen Erfassungsreichweite
Die Ergebnisse der Array-Optimierung werden als CDF-Diagramme (Cumulative Distribution Function) der EIRP dargestellt, die angeben, in wie vielen Richtungen ein bestimmter Strahlungsleistungspegel überschritten wird. Dies ist ein Standard-Leistungsindikator für die räumliche Abdeckung beim Entwurf von WiGig- und 5G-Millimeterwellen-Systemen.
XFdtd generiert CDF-Diagramme pro Strahl für jede Analyserichtung, ein Max-Hold-Muster, das die bestmögliche EIRP über alle Strahlen hinweg aggregiert, sowie eine zusammengesetzte CDF, die beide Arrays kombiniert. Abbildung 9 zeigt die CDF-Diagramme für Array 1 Boresight (alle Elemente in Phase) im Vergleich zu Array 1 Max Hold und anschließend Array 1 und Array 2 kombiniert Max Hold. Das zusammengesetzte Diagramm zeigt direkt den Gesamtvorteil der räumlichen Abdeckung durch den gemeinsamen Betrieb beider Arrays und unterstützt die EIRP-Budget- und Link-Margin-Analyse auf Systemebene.
Abbildung 9: Die Darstellung der EIRP-CDF zeigt die Leistung des Arrays bei einer gegebenen Eingangsleistung. Hier wird das +Z-Array, bei dem alle Elemente in Phase sind (A1 Boresight), mit dem Max-Hold-Wert desselben Arrays verglichen, der alle möglichen Phasenkombinationen der Elemente in diesem Array umfasst. Die Kombination der beiden Arrays sorgt für eine noch bessere Abdeckung, wie in der Darstellung A1+A2 zu sehen ist, die bei 23 dBmW die beste Leistung aufweist.
Schlussfolgerung
Phased-Array-Antennen, die im 60-GHz-WiGig-Band (IEEE 802.11ad/ay, Kanäle 1–4; Mittenfrequenz von Kanal 2: 60,48 GHz) arbeiten, werden in drahtlosen Kurzstreckenverbindungen mit mehreren Gbit/s eingesetzt, darunter Verbindungen zwischen Laptops und Dockingstationen, drahtlose Dockingstationen, AR-/VR-Headsets und feste drahtlose Zugangspunkte. Hochverstärkende Arrays sind erforderlich, um den im Vergleich zu Sub-6-GHz-Bändern erhöhten Freiraumdämpfungsverlust bei Millimeterwellenfrequenzen zu kompensieren.
Systementwickler müssen nicht nur sicherstellen, dass jedes Element das angestrebte Strahlungsdiagramm erreicht, sondern auch, dass das Array bei der Strahlformung eine ausreichende EIRP im vorgesehenen Versorgungsbereich erzielt – einschließlich der ungünstigsten und günstigsten Richtungen. Die CDF-Analyse der EIRP in XFdtd bildet diesen Versorgungsbereich direkt ab.
Eine genaue Modellierung der Antennengeometrie und des dielektrischen Aufbaus – einschließlich des frequenzabhängigen Verlustfaktors – sowie eine realistische Kopplung der S-Parameter zwischen den Elementen sind für die Vorhersage der Genauigkeit der Strahlformung unerlässlich. Der Vollwellen-FDTD-Ansatz von XFdtd erfasst beide Aspekte ohne vereinfachende Näherungen und eignet sich daher für die abschließende Designvalidierung vor der Prototypenfertigung.
Weitere hilfreiche Ressourcen finden Sie im dazugehörigen Tutorial auf der Remcom-Support-Website.
