Teil der Diskussion über die drahtlose Kommunikation der nächsten Generation ist die Fähigkeit, Strahlen von Antennengruppen bei höheren Frequenzen schnell zu lenken. In diesem Beispiel besteht die vorgeschlagene Antenne [1] aus acht in Reihe gespeisten Patch-Elementen, von denen jedes acht Patches enthält, die so miteinander verbunden sind, dass sie sowohl stehende als auch wandernde Wellen erzeugen. Die Gruppe erzeugt einen einzigen Strahl, der in der horizontalen Achse der Gruppe durch Veränderung der Phasenlage der Signale an den Eingängen der Elemente geschwenkt werden kann.
Das Array wird nach Standard-Leistungskennzahlen wie S-Parameter und Gewinn sowie nach der effektiven isotropen Strahlungsleistung (EIRP) bewertet. EIRP ist die Eingangsleistung, die einer Antenne zugeführt wird, multipliziert mit dem Gewinn dieser Antenne. Sie gibt die Gesamtleistung an, die eine isotrope Antenne abstrahlen müsste, um die Signalstärke des Hauptstrahls der evaluierten Antenne zu erreichen. Die Simulationen in dieser Arbeit wurden mit der XFdtd® EM Simulationssoftware durchgeführt.
Das endgültige Array besteht aus acht separaten, in Reihe geschalteten 1x8-Patch-Elementen, wie in Abbildung 1 dargestellt. Zunächst werden die Eigenschaften eines einzelnen Elements untersucht, bevor das Array erörtert wird. Jedes Patch ist 3,539 mm x 3,539 mm groß und hat einen Abstand von 3,539 mm. Der letzte Fleck in der Reihe hat eine Aussparung von 0,6269 mm x 2,727 mm auf der Verbindungsseite. Die Microstrip-Leitungen, die die Patches verbinden, sind 0,494 mm breit. Die ursprüngliche Zuleitung ist 2,215 mm lang und 0,72 mm breit. Die Gesamtlänge des Elements beträgt 55,3 mm. Die Antenne befindet sich auf einem Substrat mit einer Dielektrizitätskonstante von 2,2, einem Verlusttangens von 0,0009 und einer Dicke von 0,254 mm.
Abbildung 1: CAD-Darstellung eines einzelnen 1x8-Patch-Elements von oben gesehen.
Die Geometrie wird mit Hilfe der PrOGrid-Funktion in XFdtd zu einem FDTD-Netz vergittert. Für jedes Element der Geometrie sind automatische Festpunkte aktiviert, um die Ecken der Strukturen perfekt am FDTD-Gitter auszurichten. Die minimale Feature-Größe für Good Conductors ist auf die Breite der Mikrostreifenleitung zwischen den Patches festgelegt, die mindestens acht FDTD-Zellen aufweisen muss. Das dielektrische Substrat wird so definiert, dass es mindestens fünf FDTD-Zellen der Dicke hat, wobei die Mindestfeaturegröße für schlechte Leiter verwendet wird. Die Gesamtzahl der Zellen pro Wellenlänge wird auf 60 festgelegt, um gute Ergebnisse zu erzielen.
Der Eingang für das Element ist eine Spannungsquelle, die zunächst mit einem Breitbandsignal angeregt wird, das einen Bereich von 26 bis 30 GHz abdeckt, um S-Parameter zu ermitteln. Nach einer Simulation zur Berechnung der S-Parameter wird festgestellt, dass die Rückflussdämpfung aufgrund einer schlechten Anpassung eine schwache Reaktion aufweist. Dies wird durch Hinzufügen einer Anpassungsschaltung korrigiert, die aus einer Serieninduktivität und einem Parallelkondensator (0,22 nH und 0,09 pF) besteht. Die angepasste Eingangsrückflussdämpfung erzeugt eine Null bei 28 GHz (Abbildung 2). Das Fernfeld-Verstärkungsmuster für das Einzelelement (Abbildung 3) zeigt eine starke zentrale Keule normal zu den Patches mit einer Spitzenverstärkung von 16,77 dBi. Die Spitzen-Nebenkeule liegt etwa 13 dBi unter der Hauptkeule, wie in Abbildung 4 dargestellt.
Abbildung 2: Die Rückflussdämpfung für das 1x8-Element ist leicht verstimmt, wenn es mit einer 50-Ohm-Quelle gespeist wird. Durch Hinzufügen einer einfachen LC-Anpassungsschaltung wird das Gerät auf 28 GHz abgestimmt.
Abbildung 3: Das Fernfeld-Verstärkungsdiagramm des 1 x 8-Elements hat einen starken zentralen Strahl, der in einer Dimension fokussiert und in der anderen kreisförmig ist. Die Spitzenverstärkung beträgt knapp 17 dBi.
Abbildung 4: In der XZ-Dimension (E-Ebene) hat das Antennendiagramm einen Hauptstrahl mit einem Gewinn von 16,77 dBi und einem Spitzen-Seitenkeulenpegel von 3,73 dBi.
Zur Erstellung des Arrays werden acht der einzelnen 1x8-Elemente in einem Abstand von 5,352 mm angeordnet, um ein Array mit den Abmessungen 55,3 mm x 41 mm zu bilden (siehe Abbildung 5). Um breitbandige S-Parameterdaten zu erzeugen, wird eine Impulsanregung an jeden der acht Eingangsanschlüsse angelegt. Eine Anpassungsschaltung, die der für das Einzelelement verwendeten ähnelt, wird an alle Eingangsanschlüsse des Arrays angelegt. Die Rückflussdämpfung für alle acht Anschlüsse ist sehr ähnlich, wie in Abbildung 6 dargestellt, während die Isolierung zwischen benachbarten Anschlüssen jeweils unter -15 dB liegt (Abbildung 7).
Abbildung 5: Die Abbildung zeigt eine CAD-Darstellung der Kombination von acht 1x8-Elementen zu einem Array. Die Elemente haben einen Abstand von 5,352 mm von Mitte zu Mitte.
Abbildung 6: Die Rückflussdämpfung jedes Ports wird nach dem Hinzufügen einfacher LC-Anpassungsschaltungen zu jeder Einspeisung auf 28 GHz abgestimmt.
Abbildung 7: Die Isolierung zwischen benachbarten Anschlüssen beträgt bei allen möglichen Kombinationen weniger als -15 dB.
Abbildung 8: Das Verstärkungsmuster für das Array, wenn alle Eingänge phasengleich eingespeist werden, ergibt einen starken zentralen Strahl mit einer Verstärkung von 24 dBi.
Je nach der Phasenlage der Signale an den einzelnen Eingangstoren können verschiedene Strahlen definiert werden. Wenn alle Ports phasengleich gespeist werden, wird der Strahl senkrecht zur Arrayebene mit einer maximalen Verstärkung von 24 dBi gebildet (Abbildung 8). Aufgrund der Beschaffenheit dieser Geometrie können die Strahlen nur in einer Ebene, parallel zur Linie der Eingangsports, gelenkt werden. Zur Einstellung der Phasenlage wird die Butler-Matrix-Gleichung verwendet, um die Phasendifferenz zwischen den Elementen zu berechnen. Sie ist definiert als:
α i = [(2i - 1) - M]/M * πwobei αi die Phasendifferenz zwischen den Elementen, i die Strahlennummer oder die Nummer des Eingangsports der Butler-Matrix und M die Anzahl der Ports ist. In diesem Fall beträgt die Phasenverschiebung für die Strahlen 1-8 -157,5 Grad, -112,5 Grad, -67,5 Grad, -22,5 Grad, 22,5 Grad, 67,5 Grad, 112,5 Grad und 157,5 Grad. Die Phasenverschiebung wird auf die Eingangsanschlüsse angewandt, so dass der erste Anschluss eine Verschiebung von 0 Grad, der zweite von -157,5 Grad, der dritte von -315 Grad usw. für den Fall von Strahl 1 aufweist. Diese Phasenverschiebungen werden mit einem sinusförmigen Eingangssignal bei 28 GHz angewendet. Die resultierenden Strahlen in der YZ (E-Ebene) sind in Abbildung 9 als eine Reihe von Liniendiagrammen mit Hauptkeulenrichtungen von +/- 55 Grad, +/- 37 Grad, +/- 21,5 Grad und +/- 7 Grad dargestellt. In drei Dimensionen sind die Strahlen 1 bis 4 in den Abbildungen 10 bis 13 zu sehen. Alle acht Strahlen sind in einem dreidimensionalen Bild in Abbildung 14 dargestellt.
Abbildung 9: Nach Anwendung der Butler-Matrix-Phasenverschiebungen auf jeden Anschluss wird ein gerichteter Strahl gebildet. Dargestellt sind acht mögliche Strahlen.
Abbildung 10: Das aus der Butler-Matrix-Phasierung gebildete Verstärkungsmuster für Strahl Nr. 1 (-157,5 Grad pro Port) weist einen breiten Strahl mit maximaler Verstärkung bei 55 Grad auf.
Abbildung 11: Das Verstärkungsmuster, das sich aus der Butler-Matrix-Phasierung für Strahl Nr. 2 (-112,5 Grad pro Port) ergibt, hat einen stärker fokussierten Strahl mit maximaler Verstärkung bei 37 Grad. Der weiße Pfeil zeigt die Richtung der maximalen Verstärkung an.
Abbildung 12: Das Verstärkungsmuster, das sich aus der Butler-Matrix-Phasierung für Strahl Nr. 3 (-67,5 Grad pro Port) ergibt, hat eine maximale Verstärkung bei 21,5 Grad.
Abbildung 13: Das Verstärkungsmuster, das sich aus der Butler-Matrix-Phasierung für Strahl Nr. 4 (-22,5 Grad pro Port) ergibt, hat eine maximale Verstärkung bei 7 Grad.
Abbildung 14: Die Abbildung zeigt eine Seitenansicht der acht Strahlen, die durch die Butler-Matrix-Phasengleichung erzeugt werden. Jeder Strahl stellt eine separate Simulation dar.
Es wurde gezeigt, dass dieses Array mit der Butler-Matrix-Phasierung acht Strahlen bildet; eine weitere Analyse der Gesamtverstärkung über alle möglichen Phasenkombinationen ist jedoch möglich, indem die kumulative Verteilungsfunktion der effektiven isotropen Strahlungsleistung berechnet wird. Dieses Diagramm zeigt den Anteil der Fläche des dreidimensionalen Fernfeldes, den das Array bei einer bestimmten Eingangsleistung abdeckt. Für dieses Array zeigt die CDF der EIRP-Darstellung (Abbildung 15), dass das Array bei einer Eingangsleistung von 23 dBmW eine positive Verstärkung über etwa 27,4 % der Fernfeldkugel aufweist. Dies stellt den Scanbereich dar, in dem die Strahlen eine positive Verstärkung aufweisen, die durch die Grundplatte unter dem Array begrenzt ist, die 50 % des Strahlungsvolumens blockiert. Die obere Hemisphäre der Fernzone wird aufgrund der Konstruktion des Arrays von den Strahlen nur in einer Achse abgetastet, so dass der abgetastete Bereich relativ begrenzt ist. Die Grafik zeigt auch, dass die Spitzen-EIRP etwa 46,4 dBmW beträgt.
Abbildung 15: Die Darstellung der kumulativen Verteilungsfunktion der EIRP zeigt, dass bei einer Eingangsleistung von 23 dBmW etwa (1 - .726) oder 27,4 % der dreidimensionalen Fernfeldkugel eine positive Verstärkung aufweisen.
Abbildung 16: Ein Rotman Lens-Gerät, das sich als Front-End des Arrays eignet, wird in der RLD-Software von Remcom dargestellt.
Alternativ zur Verwendung der Butler-Matrix-Gleichungen und der Anpassung der Phasen in der Software ist es auch möglich, ein echtes Zeitverzögerungsgerät wie eine Rotman-Linse in der Simulation zu verwenden, um die Strahlen mit diesem Array zu bilden. Mit dem Rotman Lens Designer® (RLD) von Remcom wurde eine geeignete Linse (siehe Abbildung 16 in der RLD-Software) entworfen, die die Kriterien des Arrays erfüllt. Nachdem die CAD-Datei der Linse aus RLD exportiert und in XFdtd importiert wurde, wurde eine vollständige Geometrie mit acht Eingangsanschlüssen und vier Seitenwand-Dummy-Anschlüssen erstellt (Abbildung 17). In den Simulationen werden die Strahlen durch Einspeisung einer einzelnen Öffnung auf einmal erzeugt, anstatt die Phasenlage über jede Öffnung einzustellen. Nach acht Simulationen, bei denen jeweils ein anderer Anschluss aktiv war, sind die acht von der Anordnung gebildeten Strahlen in Abbildung 18 zu sehen. Die Abdeckung ist ähnlich wie bei der Butler-Matrix-Phasierung, die zuvor in Abbildung 14 gezeigt wurde.
Abbildung 17: Die resultierende Geometrie des Arrays mit der Rotman Lens Strahlformungsstufe wird als dreidimensionale CAD-Datei in XFdtd dargestellt.
Abbildung 18: Die acht möglichen Strahlenmuster des Arrays, die durch die Aktivierung jeweils eines der Ports der Rotman-Linse erzeugt werden, sind dargestellt.
Referenz:
[1] M. K. Ishfaq, T. A. Rahman, Y. Yamada, and K. Sakakibara, "8x8 Phased Series Fed Patch Antenna Array at 28 GHz for 5G Mobile Base Station Antennas," 2017 IEEE-APS Topical Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications (APWC), pp. 160-162, 2017.