Einführung
Der Bedarf an Konnektivität nimmt zu, da immer mehr Geräte in und um die Häuser herum mit Netzwerkfunktionen ausgestattet werden. Um all die verschiedenen Verbindungen aufrechtzuerhalten, insbesondere in Umgebungen, in denen sich signalblockierende Hindernisse durch Kommunikationsverbindungen bewegen könnten, ist es nützlich, Beamforming-Funktionen in Netzwerkgeräten zu haben, um den Signalpfad auf einen mit besserer Konnektivität zu lenken. Hier wird ein drahtloser Smart-Lautsprecher für die Heimvernetzung untersucht, um zu zeigen, wie verschiedene Kombinationen von angeordneten Antennen auf mehreren Frequenzen verwendet werden können, um Strahlenmuster zu lenken und den besten Signalweg zu erhalten. Der untersuchte MU-MIMO-WiFi-Router nutzt Antennengruppen im 2,4- und 5-GHz-Bereich, wie sie für die meisten 802.11a/b/g/n/ac-Geräte typisch sind, und deckt auch den Bereich von 6 bis 7 GHz für 802.11ax und das WiFi 6E-Band ab.
Geräteentwurf und Simulation
Der hier besprochene allgemeine WiFi-Router verwendet eine Kombination aus vier kreisförmig angeordneten 5-GHz-Antennen und zwei Zweifrequenz-Elementen für 2,4/6-7 GHz. Die Antennen sind in einem intelligenten Lautsprechergehäuse untergebracht, das weitere Leiterplatten und Lautsprecherteile enthält, die hier auf einige wenige Komponenten vereinfacht werden. Das Grunddesign des Geräts ist in Abbildung 1 dargestellt und ist etwa 100 mm hoch und hat einen Radius von 50 mm. In Abbildung 2 sind die äußeren Teile des Geräts entfernt, um die Elemente der Antennengruppe im Inneren zu zeigen. Es gibt vier planare Dipolantennen, die auf 5 GHz abgestimmt sind (siehe Abbildung 3) und kreisförmig mit einem Radius von 30 mm angeordnet sind. Zusätzlich gibt es zwei ähnliche Antennen, die für den Einsatz bei 2,4 und 6-7 GHz abgestimmt sind und um 45 Grad um die Mittelachse des 5-GHz-Arrays gedreht sind, um die Blockierung zu verringern. Der Abstand zwischen den beiden Elementen beträgt 60,5 mm. Die Rückflussdämpfung für die beiden Elemente des 2,4/6-7-GHz-Arrays ist in Abbildung 4 dargestellt und liegt bei den interessierenden Frequenzen unter -10 dB. In ähnlicher Weise ist die Rückflussdämpfung für jedes der 5-GHz-Elemente in Abbildung 5 dargestellt und beträgt ebenfalls weniger als -15 dB bei 5 GHz.
Abbildung 1: Eine dreidimensionale Ansicht eines generischen WiFi-Router-Geräts, bei dem die internen Antennengruppen teilweise durch die Abdeckung sichtbar sind.
Abbildung 2: Die internen Antennenfelder des WiFi-Routers sind mit abgenommenen Verkleidungsteilen dargestellt.
Abbildung 3: Eine nähere Betrachtung einer der 5-GHz-Antennen wird gezeigt. Die 2,4/6-7-GHz-Antennen haben ein ähnliches Design.
Abbildung 4: Die Rückflussdämpfung für die 2,4/6-7 GHz-Antennenelemente zeigt Werte unter -10 dB in den gewünschten Frequenzbändern.
Abbildung 5: Die Rückflussdämpfung für die 5-GHz-Antennenelemente zeigt Werte unter -15 dB bei der gewünschten Frequenz.
Im freien Raum erzeugt jedes der Antennenelemente ein kugelförmiges Muster, das typisch für eine Dipolantenne ist. In der Umgebung des WiFi-Routers mit benachbarten Elementen, leitenden Leiterplatten und anderen Teilen in der Nähe ändern sich die Muster jedoch erheblich. Für das 2,4-GHz-Element wird in Abbildung 6 ein typisches Muster gezeigt, bei dem zwei Hauptkeulen von den langen Enden der rechteckigen Antenne abstrahlen. Die Abdeckung der beiden unabhängig voneinander wirkenden Elemente ist in Abbildung 7 zu sehen, wo die vier Keulen dargestellt sind. Bei den 5-GHz-Elementen ist das von einem einzelnen Element erzeugte Muster eine einzelne Keule, die normal aus der großen ebenen Fläche der Antenne herausragt, wie in Abbildung 8 dargestellt. Die vier Elemente in der Gruppe erzeugen vier unabhängige Keulen, die jeden der Quadranten um das Gerät herum abdecken, wie in Abbildung 9 dargestellt.
Abbildung 6: Das Bild zeigt eine Draufsicht auf das dreidimensionale Muster eines Elements der 2,4-GHz-Antennengruppe. Das Muster hat zwei Keulen, die in der horizontalen Ebene fokussiert sind.
Abbildung 7: Eine dreidimensionale Ansicht der Verstärkungsmuster der beiden Elemente des 2,4-GHz-Arrays.
Abbildung 8: Eine Draufsicht auf das dreidimensionale Verstärkungsmuster eines der 5-GHz-Array-Elemente zeigt einen einzelnen Strahl, der normal auf das Array-Element strahlt.
Abbildung 9: Dargestellt sind die vier individuellen Verstärkungsmuster für die Elemente des 5-GHz-Arrays.
Mit den Funktionen zur Array-Optimierung in der XFdtd 3D EM-Simulationssoftware kann die Leistung der Arrays bestimmt werden, um eine möglichst vollständige Abdeckung zu erreichen. Für die Zwecke dieses WiFi-Routers ist das primäre Ziel eine gute Abdeckung in der horizontalen Ebene um das Gerät herum, und die folgenden Analysen konzentrieren sich auf die Optimierung in dieser Ebene. Für das 2,4-GHz-Array aus zwei Elementen ist die maximal mögliche Abdeckung bzw. die maximale EIRP in der horizontalen Ebene in Abbildung 10 dargestellt und kreisförmig um das Gerät herum zu erkennen. Ein zweidimensionales Polardiagramm des Musters in der horizontalen Ebene ist in Abbildung 11 zu sehen, und es wird eine ziemlich gleichmäßige Verstärkung über die vollen 360 Grad um das Gerät herum erzielt. Bei 5 GHz können die vier Elemente entweder alle zusammen oder in verschiedenen Gruppen von zwei oder drei Elementen verwendet werden. Abbildung 12 zeigt die maximale EIRP für die vier Elemente, die alle zusammen als Array arbeiten, und das Muster deckt die vollen 360 Grad um die horizontale Ebene des Routers ab. In Abbildung 13 zeigt ein Polardiagramm die vier Muster, die möglich sind, wenn zwei benachbarte Elemente zusammen verwendet werden, und diese erzeugen fokussiertere Strahlen, die einen Bereich von etwa 90 Grad um das Gerät abdecken. Eine der möglichen Abstrahlungen bei Verwendung von zwei benachbarten Elementen des 5-GHz-Arrays ist in Abbildung 14 zu sehen, die einen ziemlich schmalen Strahl zeigt, der in der XY-Ebene auf etwa 105 Grad ausgerichtet ist. Das Maximum EIRP-Muster bei 6 GHz (Abbildung 15) ist stärker aus der horizontalen Ebene herausgekippt, erzeugt aber immer noch eine ausreichende Verstärkung in allen Winkeln um die horizontale Ebene des Routers, wie in Abbildung 16 gezeigt.
Abbildung 10: Das maximale EIRP-Muster in der horizontalen Ebene für die 2,4-GHz-Antennengruppe zeigt eine nahezu gleichmäßige Abdeckung rund um den WiFi-Router.
Abbildung 11: Ein Polardiagramm der maximalen EIRP in der horizontalen Ebene zeigt eine Verstärkung von etwa 4 dBi in allen Richtungen.
Abbildung 12: Das maximale EIRP-Muster für die vier Elemente des 5-GHz-Arrays ist für die horizontale Richtung dargestellt.
Abbildung 13: Polardiagramme der maximalen EIRP für Zwei-Element-Arrays mit benachbarten Antennen bei 5 GHz. Jedes Zwei-Element-Array bietet eine gute Abdeckung in einem Quadranten des Bereichs um das Gerät.
Abbildung 14: Ein Strahlenmuster für eines der 5-GHz-Arrays mit zwei Elementen ist mit einem Muster dargestellt, das einen Strahl auf etwa 105 Grad fokussiert.
Abbildung 15: Das maximale EIRP-Muster für die beiden 6-7-GHz-Elemente bei 6 GHz zeigt Strahlen, die über die horizontale Achse gekippt sind, aber immer noch eine positive Verstärkung um das Gerät herum möglich ist.
Abbildung 16: Ein Polardiagramm der maximalen EIRP bei 6 GHz für das Zwei-Elemente-Array zeigt, dass in der horizontalen Ebene eine Verstärkung zwischen 1 und 3 dBi möglich ist.
Abbildung 17: CDF des EIRP-Diagramms für verschiedene Array-Konfigurationen.
Durch die Erstellung einer kumulativen Verteilungsfunktion der EIRP ist es möglich, die maximale Abdeckung über den gesamten dreidimensionalen Bereich, der das Gerät umgibt, zu berechnen. In Abbildung 17 zeigt das CDF-Diagramm der EIRP, dass für alle möglichen Phasenbeziehungen der 2,4-GHz-Array-Elemente eine positive Verstärkung für fast 78 % der Richtungen möglich ist. Bei 5 GHz ergibt die Kombination von zwei benachbarten Elementen eine CDF-Darstellung mit einer Abdeckung von über 60 %, während mit allen vier Elementen über 83 % der Richtungen eine positive Verstärkung aufweisen. Bei den beiden 6-7-GHz-Elementen schließlich können etwa 75 % der Richtungen eine positive Verstärkung aufweisen.
Schlussfolgerung
Die Array-Analyse mit den Tools in XFdtd hat gezeigt, dass dieses WiFi-Router-Gerät in der Lage ist, eine gute Verstärkung über den gesamten Bereich der gewünschten Winkel mit fokussierten Strahlen zu erzeugen, um bewegliche Ziele zu verfolgen und bessere Wege in einer dynamischen Umgebung zu finden.
