Eine einfache Antenne für den Betrieb im LTE-Band wird auf der Platine eines Smartphones in XFdtd angebracht und die Anpassungsschaltung für den Betrieb in mehreren Frequenzbändern abgestimmt. Die Komponenten im Anpassungsnetzwerk werden so gewählt, dass die Systemeffizienz maximiert wird.
Abbildung 1 zeigt die verwendete Antenne, einen einfachen Streifen, der außerhalb der Mitte gespeist wird. Man kann sie sich als zwei invertierte L-Antennen mit unterschiedlichen "Top"-Längen vorstellen, obwohl die Betriebsmodi komplizierter sind als das. Abbildung 2 zeigt den Systemwirkungsgrad dieser Antenne bei direkter Speisung und verdeutlicht, dass zur Verbesserung der Leistung eine Anpassung erforderlich ist.
Abbildung 1: LTE-Antenne ohne Anpassungsnetzwerk.
Abbildung 2: Systemwirkungsgrad einer nicht angepassten Antenne.
Mobiltelefone sind für den Betrieb in mehreren vom Betreiber festgelegten Frequenzbändern vorgesehen. In Tabelle 1 sind die für dieses Beispiel erforderlichen LTE-Bänder aufgeführt.
Tabelle 1: Vom Betreiber festgelegte Frequenzbänder.
Um eine maximale Leistungsübertragung und Effizienz zu erreichen, wird ein Anpassungsnetzwerk zwischen der Einspeisung und der Antenne eingesetzt. Die Entwurfskriterien zielen darauf ab, eine Antenne und eine Anpassungsschaltung zu entwickeln, die einen durchschnittlichen Systemwirkungsgrad von mindestens 65 % über alle Betriebsbänder bieten. Um die Entwurfsziele zu erfüllen, wird die Anpassungsschaltung in Abbildung 3 gewählt. Abbildung 4 zeigt die Antenne und die Anpassungsschaltung in XF, und Abbildung 5 zeigt das Schaltungslayout in größerem Detail.
Abbildung 3: Schematische Darstellung des Anpassungsnetzes.
Abbildung 4: Aufbau des Anpassungsnetzes.
Abbildung 5: Details des passenden Netzlayouts.
Das Ziel in diesem Fall ist es, eine Reihe von echten Kondensatoren und Induktivitäten von Murata zu finden, die in der Anpassungsschaltung dieses mobilen Geräts verwendet werden können. Basierend auf dieser Anwendung und den ungefähren Größenanforderungen aus unserem physikalischen Schaltungslayout wurden die Murata-Kondensatoren der Serien GJM und GRM in der Größe 0603 (0,6 x 0,3 mm) sowie die Induktivitäten der Serien LQP03TG, LQP03TN, LQP03TQ und LQP03HQ als Kandidaten ausgewählt. Da wir mehrere verschiedene Bauteilserien verwenden, wiederholen sich einige der Kapazitäts- und Induktivitätswerte über mehrere Serien. Um alle Komponenten genau darstellen zu können, werden die Komponenten für die Schaltungsoptimierung als abstimmbare Definition angegeben, und jede Murata-Komponente wird durch eine separate Gerätedefinition dargestellt.
Abbildung 6: Eine der Komponentendefinitionen nach dem Import der MDIF-Datei.
Hinweis: Anstatt für jede Murata-Komponente eine einzelne .s2p-Datei zu importieren und jedes Mal eine neue Gerätedefinition zu erstellen, können die s2p-Daten für jede Serie in einer MDIF-Datei kompiliert werden, die in die abstimmbare Definition importiert werden kann. XF erstellt dann automatisch ein neues Gerät für jeden Satz von s2p-Daten in der MDIF-Datei, wie in Abbildung 6 dargestellt.
Der Circuit Element Optimizer von XF wird verwendet, um das System mit dem Vollwellen-FDTD-Solver von XF zu charakterisieren. Auf der Grundlage dieser Charakterisierung werden die optimalen Komponenten aus jeder Serie bestimmt. Die gewählten Komponentenwerte und ihre Murata-Teilenummern sind in Tabelle 2 aufgeführt, und die entsprechende Systemeffizienz für die angepasste Antenne wird mit dem nicht angepassten Fall verglichen, wie in Abbildung 7 zu sehen ist.
Tabelle 2: Optimale Werte der Schaltungskomponenten.
Abbildung 7: Systemwirkungsgrad von angepassten und nicht angepassten Antennen.
Abbildung 8: Systemwirkungsgrad der angepassten Antenne, CEO und FDTD.
Um unsere Ergebnisse aus der Schaltungsoptimierung weiter zu validieren, werden die entsprechenden Netzlistendateien für jedes der ausgewählten Murata-Bauteile importiert und zur Definition jedes Bauteils in unserer Anpassungsschaltung verwendet, und es wird eine FDTD-Simulation durchgeführt. Die FDTD-Simulation bestätigt die Ergebnisse der Schaltungsoptimierung, wie in Abbildung 8 zu sehen ist. Da nun eine Reihe von geeigneten realen Schaltungskomponenten bekannt ist, kann ein funktionierender Prototyp gebaut und die Antennenleistung im Labor gemessen werden, um die Simulationsergebnisse zu bestätigen.
