Einführung
In diesem Beispiel wird ein weiterentwickeltes 28-GHz-Antennen-Array beschrieben, das in der Lage ist, mehrere Strahlen für den Einsatz in Anwendungen wie 5G-Basisstationen zu bilden. Das System besteht aus drei Teilen: einem Rotman-Linsen-Strahlformer mit sieben Eingangsanschlüssen und acht Ausgangsanschlüssen, einer Reihe von Streifenleitungs-Wilkinson-Leistungsteilern zur Aufteilung jedes Rotman-Ausgangs in acht gleiche Signale und einer 8x8-Patch-Antennengruppe. Das System erzeugt sieben fokussierte Strahlen mit einer 3dB-Strahlbreite von etwa 14,5 Grad und mehr als 17 dBi Gewinn, die einen Bereich von +/- 30 Grad abdecken.
Der Entwurfsprozess besteht aus drei separaten Schritten: der Erstellung des Rotman-Linsen-Strahlformers, dem Entwurf des 1 bis 8 Wilkinson-Leistungsteilers und der 8x8-Patch-Antennengruppe. Die Rotman-Linse wird mit der Software Rotman Lens Designer® (RLD) von Remcom als Mikrostrip-Bauteil entworfen. Der Leistungsteiler und das Patch-Array wurden in XFdtd® entworfen.
In diesem Beispiel wird die Erstellung der einzelnen Stufen des Geräts beschrieben und die Leistung der einzelnen Stufen und des gesamten Geräts bewertet.
Gerätedesign
Der Rotman-Linsen-Beamformer soll bei 28 GHz arbeiten und sieben Strahlen +/- 30 Grad durch acht Array-Ports scannen können. Es wurde ein 50-Ohm-Mikrostreifendesign gewählt, das eine kreisförmige Kontur und eine Gesamtbreite von knapp 5 Wellenlängen aufweist. Die Seitenwände sind gekrümmt und enthalten vier Dummy-Ports pro Seite zur Absorption reflektierter Felder. Als Substrat wird ein geeignetes Dielektrikum mit einer relativen Permittivität von 2,94 und einer Dicke von 0,254 mm gewählt. Der grundlegende Entwurf ist in Abbildung 1 dargestellt, wo auch die zur Erstellung der Linse verwendete RLD-Software zu sehen ist. Die Strahlanschlüsse (Eingang) sind links im Bild in grau dargestellt, während die Array-Anschlüsse (Ausgang) rechts in rot zu sehen sind. Die Ausgangsanschlüsse an den Enden der Übertragungsleitungen sind im Abstand einer halben Wellenlänge angeordnet. Die Übertragungsleitungen haben unterschiedliche Längen, die durch die Gleichungen der Rotman-Linse bestimmt werden. Die Rotman-Linse wird im Allgemeinen mit einem oder mehreren aktiven Strahlenanschlüssen verwendet, um eine lineare Phasenverschiebung über die Array-Anschlüsse zu erzeugen, die durch die Zeitverzögerung bei der Signalausbreitung bis zum Erreichen des Ausgangs entsteht. Diese Geräte werden oft als "echte Zeitverzögerungssysteme" bezeichnet und sind nicht auf Phasenschieber angewiesen, um die Strahlen zu steuern.
Nach der Abstimmung der Linsenform werden die sieben Ausgangsstrahlen, einer pro Eingangsanschluss, in Abbildung 2 aufgezeichnet, um die Position der Strahlen und die Nebenkeulenpegel zu überprüfen. Die Strahlen sind bei einem Abtastwinkel von +/-30, +/-20, +/-10 und 0 Grad vorhanden. Es ist eine gleichmäßige Aperturverteilung der Array-Ports vorgesehen.
Abbildung 1: Der ursprüngliche Entwurf der Rotman-Linse ist in der RLD-Software dargestellt. Die sieben Strahlanschlüsse befinden sich auf der linken Seite und die acht Array-Anschlüsse auf der rechten Seite.
Abbildung 2: Der Array-Faktor, ein Maß für das erwartete Strahlungsmuster, das von einem Strahlenanschluss aufgrund der Phase über die Array-Anschlüsse erzeugt wird, ist für alle sieben Strahlen der in RLD entworfenen Rotman-Linse dargestellt.
Geräte-Simulation
Der Entwurf der Rotman-Linse aus RLD wurde zur Verwendung in XFdtd in eine CAD-Datei im SAT-Format exportiert. Nach dem Import in XFdtd wurde die in Abbildung 3 dargestellte Geometrie entwickelt, bei der alle Anschlüsse mit einer 50-Ohm-Last abgeschlossen sind. Die Rückflussdämpfung für jeden Strahlanschluss wurde wie in Abbildung 4 gezeigt berechnet, wobei bei 28 GHz akzeptable Werte unter -10 dB gefunden wurden. Über ein Skript in XFdtd werden die komplexen Ausgangsspannungen an den mit den Array-Ports verbundenen Übertragungsleitungen zur Berechnung des Strahlenmusters für jeden Eingangsport verwendet, das in Abbildung 5 dargestellt ist. Wie man sieht, sind diese den Strahlen des ursprünglichen RLD-Designs recht ähnlich.
Abbildung 3: Der Entwurf der Rotman-Linse wird in XFdtd gezeigt, nachdem eine CAD-Datei importiert wurde, die mit dem Softwareprogramm RLD erstellt wurde. Die Linse ist in Mikrostreifen auf einem 0,254-mm-Substrat mit einer Permittivität von 2,94 ausgeführt.
Abbildung 4: Die Rückflussdämpfung für jeden Strahlenanschluss der Rotman-Linse ist über einen Frequenzbereich um 28 GHz aufgetragen.
Abbildung 5: Diese Abbildung zeigt den Array-Faktor für die Rotman-Linse, wie er von XFdtd simuliert wurde. Die komplexe Spannung am Ende jeder Übertragungsleitung, die mit den Array-Anschlüssen verbunden ist, wurde verwendet, um den Array-Faktor für jeden Eingangsanschluss zu ermitteln. Es ist zu erkennen, dass diese Strahlenmuster denen von RLD in Abbildung 2 sehr ähnlich sind.
Eine Analyse der S-Parameterdaten über die Array-Ports zeigt, dass der Betrag Schwankungen von -11 bis -15 dB aufweist, die etwas deutlicher sind als die gewünschte gleichmäßige Verteilung (Abbildung 6). Die Phasenvariationen über die Array-Ports zeigen, wie gewünscht, nahezu lineare Variationen für jeden der sieben Strahlen (Abbildung 7). In Abbildung 7 ist die Phase so eingestellt, dass die Phase an Array-Port 4 zum Vergleich auf Null gesetzt wird. Die aus der Rotman-Linse resultierende Phasenvariation zwischen den Array-Ports beträgt für die sieben Strahlen +/-90, +/-60, +/-30 und 0 Grad.
Abbildung 6: Beim Entwurf wurde eine gleichmäßige Verteilung über die Array-Anschlüsse der Rotman-Linse angestrebt. In der XFdtd-Simulation ist zu erkennen, dass die tatsächliche Verteilung etwas variiert.
Abbildung 7: Die Phasenvariation über die Array-Ports wird für jeden Eingangsstrahl-Port aufgezeichnet. Die erwartete Phase für das entworfene System sollte linear sein, mit einer Neigung von +90 Grad zwischen den Ausgangsanschlüssen und 0 Grad bis -90 Grad, je nachdem, welcher Eingangsanschluss aktiv ist. Hier ist zu erkennen, dass die Phasenschwankungen nahezu linear sind und die Steigungen nahe den gewünschten Werten liegen.
Der Streifenleitungs-Wilkinson-Leistungsteiler wurde unter Verwendung desselben Dielektrikums (Epsilon = 2,94) wie für die Rotman-Linse entworfen. Die Dicke des Stripline-Substrats beträgt 0,508 mm und die Leiterbahnen haben einen Widerstand von 50 Ohm. Das Design teilt einen Eingang in acht gleiche und gleichphasige Ausgänge in drei Stufen auf. Der Ausgang jedes Ports der Wilkinson-Anlage ist über ein kurzes Koaxialkabel mit dem Eingang einer Patch-Antenne verbunden. Die Patch-Antennengruppe besteht aus acht 1x8-Subarrays, wobei jedes Subarray mit einer Wilkinson verbunden ist. Das Patch-Array hat ein Substrat aus demselben Dielektrikum mit einer Dicke von 0,254 mm. Die Patches haben einen Abstand von einer halben Wellenlänge (bei 28 GHz) und werden für eine optimale Leistung mit einer Patchgröße von etwas mehr als einer Viertelwellenlänge und einer um 0,9 mm von der Mitte des Patches versetzten Einspeisung abgestimmt. Die kombinierten Wilkinson-Array-Teile sind in den Abbildungen 8 und 9 dargestellt.
Abbildung 8: Die Abbildung zeigt die dreidimensionale CAD-Darstellung der 8x8-Patch-Antennengruppe und der acht Wilkinson-Leistungsteiler, die an den Antennen angebracht sind. Hier wurde die Rotman-Linse durch acht Eingangshohlleiteranschlüsse in der ersten Stufe der Wilkinson-Leistungsteiler ersetzt.
Abbildung 9: Es wird eine Seitenansicht des Wilkinson-Leistungsteilers gezeigt, die die drei Stufen der Teilung des Signals deutlich erkennen lässt.
Der kombinierte Wilkinson-Array-Teil wurde mit Hohlleiteranschlüssen simuliert, die zu jedem der acht Wilkinson-Eingänge hinzugefügt wurden. Die sich daraus ergebenden Rückflussdämpfungsdiagramme für jedes Subarray sind in Abbildung 10 dargestellt, und es zeigt sich eine gute Leistung bei 28 GHz. Die Ports werden mit Phasenverschiebungen von +90 Grad zwischen den Elementen (Strahl 1) bis -90 Grad zwischen den Elementen (Strahl 7) in 30-Grad-Schritten gespeist, um sieben verschiedene Strahlen zu erzeugen. Die Strahlenmuster (aufgetragen als Verstärkung und nicht als Array-Faktor) sind in Abbildung 11 dargestellt. In Abbildung 11 sind leichte Abweichungen bei der Spitzenverstärkung zu erkennen, aber die Strahlenpositionen sind gut auf die gewünschten Winkel verteilt, was dem ursprünglichen RLD-Design sehr nahe kommt. Die Abbildungen 12 und 13 zeigen die Strahlen in drei Dimensionen neben der geometrischen Struktur. Die großen weißen Pfeile zeigen die Richtung der Spitzenverstärkung an.
Abbildung 10: Die Rückflussdämpfung für jeden der acht an die Wilkinson-Leistungsteiler angeschlossenen Ports zeigt eine gute Leistung bei 28 GHz. Es gibt nur geringe Abweichungen zwischen den verschiedenen 1x8-Subarrays, die an jeden Leistungsteiler angeschlossen sind.
Abbildung 11: Die Strahldiagramme für das kombinierte Wilkinson- und Antennen-Array werden als Gewinn (und nicht als Array-Faktor) für das Gerät aus Abbildung 8 aufgetragen. Hier wurden die Phasenbeziehungen, die durch die Rotman-Linse entstehen würden, durch Phasenverschiebungen an den Eingangsanschlüssen der Wilkinson-Leistungsteiler ersetzt. Man sieht, dass sich die Strahlen in der richtigen Winkelposition befinden und die Verstärkung nahezu gleich ist.
Abbildung 12: Diese Abbildung zeigt die sieben Strahlen als dreidimensionales Muster und nicht als Liniendiagramm wie Abbildung 11. Die großen weißen Pfeile zeigen die Richtung der Spitzenverstärkung für jeden Strahl an.
Abbildung 13: Dies ist eine alternative Ansicht der dreidimensionalen Strahlenmuster der sieben von der Anordnung erzeugten Strahlen.
Der letzte Schritt des Entwurfs besteht darin, den Rotman-Linsen-Strahlformer mit dem Leistungsteiler/Antennen-Array zu kombinieren. Diese Struktur ist in den Abbildungen 14, 15 und 16 als dreidimensionales CAD-Modell dargestellt. Hier werden an allen offenen Anschlüssen, einschließlich der sieben Strahlanschlüsse und acht Blindanschlüsse zur Verringerung der Reflexion in der Linse, auf 50 Ohm abgestimmte Hohlleiteranschlüsse verwendet.
Abbildung 14: Hier ist das komplette System aus Rotman-Linseneingang, Wilkinson-Leistungsteilerstufe und 8x8-Patch-Antennengruppe als dreidimensionales CAD-Modell dargestellt.
Abbildung 15: Dies ist eine Seitenansicht des gesamten Systems, in der der dreistufige Wilkinson-Leistungsteiler deutlicher zu sehen ist.
Abbildung 16: Dies ist eine Draufsicht auf das gesamte System, in der die Rotman-Linse und die Array-Übertragungsleitungen deutlicher zu sehen sind.
Nach Simulationen mit einem Breitbandimpuls an jedem Strahleneingang ist in Abbildung 17 ein Diagramm der Rückflussdämpfung über der Frequenz dargestellt. Die Rückflussdämpfung für alle Ports ist gut und liegt bei -16 dB, mit Ausnahme des zentralen Ports (Strahl 4), der eine höhere Rückflussdämpfung aufweist, was möglicherweise auf die symmetrische Anordnung und Reflexionen zurückzuführen ist, die in den Dummy-Ports nicht gut absorbiert werden.
Abbildung 17: Hier ist die Rückflussdämpfung von jedem der sieben Eingangsanschlüsse der Rotman-Linse bei Anschluss an das gesamte System von Leistungsteilern und Antennen aufgetragen. Die Ergebnisse sind im Allgemeinen gut mit Werten unter -10 dB für alle Anschlüsse mit Ausnahme des mittleren Strahls (Anschluss 4), der eine gewisse Fehlanpassung aufweist, wahrscheinlich aufgrund von Reflexionen, die von den Seitenwänden nicht gut absorbiert werden.
Die Strahlenmuster bei 28 GHz für das gesamte Gerät sind in Abbildung 18 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass sie im Vergleich zu den Simulationen des Arrays ohne die Rotman-Linse richtig im Winkel liegen, wobei die Spitzenverstärkung etwas stärker variiert. Dies ist auf die nicht ganz perfekten Phasen- und Amplitudenschwankungen an den Anschlüssen des Rotman-Linsen-Arrays zurückzuführen, die den Wilkinson-Leistungsteiler speisen. Die Ergebnisse stimmen mit den Strahlenmustern überein, die in früheren Simulationen erzeugt wurden (siehe Abbildungen 2, 5 und 11), obwohl die Strahlenstärken stärker variieren.
Abbildung 18: Die resultierenden Strahlen des gesamten Systems sind als Verstärkungsmuster dargestellt und ähneln den anderen Strahlenmustern, wobei die Strahlen einen Abstand von 10 Grad zwischen -30 und 30 Grad aufweisen und nahezu gleich groß sind.
Dreidimensionale Ansichten der Strahlen vermitteln ein klareres Bild von der Leistung der Vorrichtung, einschließlich des Vorhandenseins von Nebenkeulen und deren Höhe. In den Abbildungen 19, 20, 21 und 22 sind die ersten vier Strahlen der Vorrichtung in Bezug auf die Struktur der Vorrichtung dargestellt. Die Strahlen fünf, sechs und sieben entsprechen den Strahlen drei, zwei bzw. eins. In Abbildung 23 sind alle sieben Strahlen dreidimensional dargestellt, um den gesamten Erfassungsbereich der Vorrichtung zu zeigen. Abbildung 24 zeigt dieselben sieben Strahlen aus einer anderen Blickrichtung, die sich oberhalb des Geräts entlang der Y-Achse befindet.
Abbildung 19: Diese Abbildung zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Strahlenmusters von der Eingangsöffnung 1 der Rotman-Linse, das durch das gesamte System erzeugt wird.
Abbildung 20: Diese Abbildung zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Strahlenmusters von der Eingangsöffnung 2 der Rotman-Linse, das durch das gesamte System erzeugt wird.
Abbildung 21: Diese Abbildung zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Strahlenmusters von der Eingangsöffnung 3 der Rotman-Linse, das durch das gesamte System erzeugt wird.
Abbildung 22: Diese Abbildung zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Strahlenmusters von der Eingangsöffnung 4 der Rotman-Linse, das durch das gesamte System erzeugt wird.
Abbildung 23: Diese Abbildung zeigt alle sieben Strahlen des gesamten Systems als dreidimensionale Verstärkungsmuster.
Abbildung 24: Die sieben Strahlen, die von jedem Eingangsanschluss der Rotman-Linse erzeugt werden, sind in der Draufsicht dreidimensional dargestellt.
Die Visualisierung der Ausbreitung von Leitungsströmen auf dem Gerät ist ein nützliches Instrument, um sicherzustellen, dass alle Verbindungen zwischen den Stufen gut sind (keine unverbundenen Teile) und dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit zu den Arrays gleich ist. Es ist wichtig, dass die Übertragungsleitungen von der Rotman-Linse zu den Leistungsteilern die richtige Länge haben, damit die Phasenbeziehung der Wellenfront erhalten bleibt. In Abbildung 25 ist zu sehen, wie sich der Strom von der mittleren Strahlöffnung über die Linse ausbreitet. In Abbildung 26 hat der Strom gerade den Ausgang der Array-Anschlüsse erreicht und tritt in die Übertragungsleitungen ein. Abbildung 27 zeigt, dass der Strom vollständig durch die Übertragungsleitungen fließt und in die Leistungsteiler eintritt. In Abbildung 28 ist die Geometriedarstellung deaktiviert, um die Ströme besser sichtbar zu machen, wie sie sich durch die erste Leistungsteilerstufe ausbreiten und immer noch in guter Phasenbeziehung sind. In Abbildung 29 schließlich haben die Ströme gerade die Einspeisungen der Patch-Antennen erreicht und sind immer noch in Phase zueinander.
Abbildung 25: Diese Abbildung zeigt die Ausbreitung der Leitungsströme von der Strahlöffnung 4 in die Rotman-Linse.
Abbildung 26: In dieser Abbildung hat die Ausbreitung der Leitungsströme von der Strahlöffnung 4 der Rotman-Linse gerade die Array-Anschlüsse der Linse erreicht.
Abbildung 27: Die Ausbreitung der Leitungsströme hat die Enden der Array-Übertragungsleitungen erreicht und tritt in die Wilkinson-Leistungsteilerelemente ein. Alle Ströme scheinen gleichphasig zu sein, da sie zur gleichen Zeit am gleichen Ort ankommen.
Abbildung 28: Hier wurde die Anzeige der Geometrie deaktiviert und es werden nur die Leitungsströme auf den Metalloberflächen dargestellt. Die Felder beginnen sich in der ersten Stufe des Wilkinson-Leistungsteilers aufzuspalten.
Abbildung 29: Die Ströme haben sich schließlich über die gesamte Struktur ausgebreitet und die Eingangsanschlüsse der Antennen erreicht.
Zusammenfassung
Dieses Beispiel demonstriert einen Prozess zur Erzeugung und Analyse eines steuerbaren 28-GHz-Arrays für 5G-Anwendungen. Hier waren die Anforderungen eine Strahlabdeckung von -30 bis 30 Grad in sieben Strahlen, die mit einem Rotman-Linsen-Beamformer, acht Wilkinson-Leistungsteilern von 1 bis 8 und einem 8x8-Array von Patch-Antennen realisiert wurde.
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