Es wurde ein Entwurf für ein mobiles 5G-MIMO-Endgerät mit 12 Anschlüssen für den Betrieb im Sub-6-GHz-Bereich vorgestellt, insbesondere für die LTE-Bänder 42 (3400-3600 MHz), 43 (3600-3800 MHz) und 46 (5150-5925 MHz) [1]. Es wurde gezeigt, dass dieses Gerät eine gute Leistung für den 8x8-MIMO-Betrieb in den Bändern 42/43 und den 6x6-MIMO-Betrieb im Band 46 aufweist, indem mehrere verschiedene Antennendesigns verwendet wurden, die um die Ränder der Leiterplatte eines Mobiltelefons herum angeordnet sind. Hier wird die Leistung der Antenne in XFdtd zunächst mit dem Handgerät allein und dann in verschiedenen Konfigurationen mit einer oder zwei Händen simuliert. Die bewerteten Leistungskriterien sind die Rückflussdämpfung, die Isolierung zwischen den Antennen, der Wirkungsgrad, der Gewinn und der Hüllkorrelationskoeffizient (ECC), der ein Indikator für die Diversitätsleistung von Antennenpaaren ist.
Layout der Antenne
Das Gerät ist in Abbildung 1 dargestellt, wobei die 12 Antennenelemente an den Rändern der Leiterplatte sichtbar und beschriftet sind. Oben und unten links befinden sich Dualband-Antennen in invertierter PI-Form, die in allen betrachteten Bändern arbeiten. Diese Antennen werden in den folgenden Abbildungen manchmal mit IA bezeichnet und sind als Antenne 1 und 2 nummeriert. An beiden Seiten der Antenne befinden sich sechs längere invertierte L-förmige offene Schlitzantennen (LA) für die unteren Bänder (LTE 42/43) und vier kürzere invertierte L-förmige offene Schlitzantennen (SA) für das LTE-Band 46. Die Antennen wechseln sich zwischen LA und SA an den Seiten ab, wobei drei LA- und zwei SA-Antennen pro Seite vorhanden sind. Die Nummerierung der Antennen ist 3 bis 7 auf der rechten Seite (die Nummern 3, 5 und 7 sind LA) und 8 bis 12 auf der linken Seite (wobei 8, 10 und 12 LA sind). Die Dualband-Antennen sind mit einem längeren und einem kürzeren Arm für das niedrigere und das höhere Frequenzband ausgelegt. In Abbildung 2 ist Antenne 1 mit Leitungsströmen dargestellt, die bei 3,6 GHz auf dem längeren Arm und bei 5,5 GHz auf dem kürzeren Arm fließen. In Abbildung 3 sind zwei Elemente der LA- und SA-Antennen zu Vergleichszwecken dargestellt.
Abbildung 1: Eine CAD-Ansicht des Geräts in der XFdtd-Softwareoberfläche zeigt, dass der Bildschirm und alle Antennen in der XY-Ebene liegen. Die Antennenelemente sind am Rand des Geräts von 1 bis 12 nummeriert.
Abbildung 2: Auf der linken Seite der Abbildung sind die von XFdtd berechneten Leitungsströme auf dem längeren Teil des Antennenelements 1 bei 3,6 GHz im LTE-Band 42/43-Bereich dargestellt. Rechts sind die Leitungsströme auf dem kürzeren Arm des Antennenelements 1 bei 5,5 GHz im Bereich des LTE-Bandes 46 dargestellt.
Abbildung 3: Oben in dieser Ansicht der XFdtd-Schnittstelle befindet sich eine der Open-Slot-Antennen mit längerem Arm (LA) für den 3,6-GHz-Betrieb am Rand des Geräts. Unten befindet sich eine Open-Slot-Antenne mit kürzerem Arm (SA) für den 5,5-GHz-Betrieb.
Simulation im freien Raum
Als ein Maß für die Leistung werden die S-Parameter verschiedener Antennen betrachtet, um die Rückflussdämpfung und die Isolierung der Antennen zu zeigen. In Abbildung 4 ist die Rückflussdämpfung für die Antennen 1 und 2 (die oberen und unteren IA-Antennen) zusammen mit dem S21 zwischen ihnen dargestellt. Wie zu sehen ist, haben die Antennen gute Rückflussdämpfungswerte in den unteren LTE-Bändern 42/43 und dem höheren LTE-Band 46. S21 bleibt in beiden Bändern niedrig, was zu erwarten ist, da sich die Antennen an den äußersten Enden der Leiterplatte befinden. Die Rückflussdämpfung aller LA-Antennen in den LTE-Bändern 42/43 ist in Abbildung 5 dargestellt. Abbildung 6 zeigt die Rückflussdämpfung der SA-Antennen im Band 46 zusammen mit der Isolierung zwischen benachbarten SA-Antennen und zwischen benachbarten SA- und IA-Antennen. Die Isolierung zwischen benachbarten LA-Antennen (und zwischen benachbarten LA- und IA-Antennen) für die unteren Frequenzbänder ist in Abbildung 7 dargestellt. In allen Fällen liegen die Ergebnisse innerhalb der Entwurfstoleranzen von Rückflussdämpfung unter -6 dB (3:1 VSWR) und Isolation -11 dB oder besser.
Abbildung 4: Die S-Parameter für die Antennen 1 und 2 sind für alle Betriebsbänder des Geräts dargestellt. Es gibt zwei unterschiedliche Betriebsbereiche: um 3,6 GHz und um 5,5 GHz. Bei beiden liegt die Rückflussdämpfung weit unter den erforderlichen Werten, während die durch S21 bestimmte Isolierung bei etwa -18 dB liegt.
Abbildung 5: Die Rückflussdämpfung für alle Antennen im unteren Band (LTE 42/43) ist dargestellt und zeigt sehr gute Ergebnisse.
Abbildung 6: Die Rückflussdämpfung und Isolierung ausgewählter Elemente wird für das höhere Band (LTE 46) mit guten Ergebnissen gezeigt.
Abbildung 7: Die Isolierung zwischen ausgewählten Elementen in den LTE-Bändern 42/43 ist dargestellt.
Die Antennenleistung wird durch die Betrachtung der Effizienz und des Gewinns der verschiedenen Elemente über ihre Betriebsbänder bestimmt. In Abbildung 8 ist der Wirkungsgrad der Antennen für das LTE-Band 42/43 dargestellt und ist für die IA-Antennen (1 und 2) angemessen und für die LA-Antennen (3, 5, 7, 8, 10 und 12) mäßig. Im LTE-Band 46 ist die Antennenleistung besser, mit Wirkungsgraden über 50 %, wie in Abbildung 9 gezeigt. Der Gewinn ist in der XY-Ebene (der Ebene des Gerätebildschirms) für verschiedene Antennenkombinationen aufgetragen. In jedem Fall sind die Antennengewinnmuster so ausgelegt, dass sie von der Mitte des Geräts weg strahlen. In Abbildung 10 ist der Gewinn für die IA-Antennen in den LTE-Bändern 42/43 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass der maximale Gewinn in einem Winkel von 45 Grad von der Antenne weg, also in Richtung der Ecke des Gerätebildschirms, liegt. In Abbildung 11 ist der Gewinn für die LA-Antennen im LTE-Band 42/43 auf der rechten Seite des Telefons dargestellt, und in jedem Fall liegt der maximale Gewinn entlang der X-Achse, weg von der Bildschirmmitte. In Abbildung 12 ist der Gewinn für die SA-Antennen auf der rechten Seite des Telefons im LTE-Band 46 mit ähnlichen Eigenschaften dargestellt.
Abbildung 8: Dargestellt sind die Wirkungsgrade für Antennen im LTE-Band 42/43. Die beiden IA-Antennen an den Enden des Telefons (1 und 2) weisen einen höheren Wirkungsgrad von über 60 % auf, während die LA-Antennen an den Seiten des Telefons niedrigere Wirkungsgrade zwischen 35 und 50 % aufweisen.
Abbildung 9: Die Wirkungsgrade für alle Antennen im höheren LTE-Band 46 liegen über 50 % und zeigen eine gute Leistung.
Abbildung 10: Die Gewinnmuster in der XY-Ebene für die beiden IA-Antennen zeigen Spitzengewinne in Richtung der jeweiligen Ecken der Vorrichtung.
Abbildung 11: Die LA-Antennen haben ihren Spitzengewinn in Richtung des äußeren Randes des Geräts. In diesem Fall sind die Antennen auf der rechten Seite des Geräts mit Spitzengewinn in Richtung +X dargestellt.
Abbildung 12: Die SA-Antennen haben einen Spitzengewinn in Richtung des äußeren Randes des Geräts, ähnlich wie die LA-Antennen. Hier sind die Antennen 4 und 6 mit Spitzengewinn in Richtung +X dargestellt.
Um die Diversity-Leistung von Antennenpaaren zu bewerten, ist neben der Isolation der Hüllkurven-Korrekturkoeffizient (ECC) ein wichtiges Maß. Dieses Maß ist nützlich, um festzustellen, wie gut ein Gerät für Diversity- und Multiplexing-Anwendungen geeignet ist, bei denen es wichtig ist, dass die einzelnen Antennen unabhängig voneinander arbeiten. Das grundlegende Kriterium für den ECC ist ein Wert von weniger als 0,5. Die ECC für verschiedene Antennenpaare im LTE 42/43-Band und im LTE 46-Band werden in den Abbildungen 13 und 14 verglichen. Alle Diagramme liegen deutlich unter dem Grenzwert von 0,5, wobei die maximale Korrelation zwischen den Antennen 8 und 10 im LTE-42/43-Band bei etwa 0,15 liegt.
Abbildung 13: Der Hüllkurven-Korrelationskoeffizient (ECC) für die LTE-Band 42/43-Antennen ist mit einem Spitzenwert von 0,15 recht gut.
Simulation mit Händen
Um den Betrieb des Telefons unter realistischeren Bedingungen zu testen, werden Handmodelle sowohl in der Einhand- als auch in der Zweihandkonfiguration eingeführt, wie in Abbildung 15 dargestellt. Die Positionen sind für das Halten mit der linken und rechten Hand, zwei Hände an der Seite und zwei Hände mit Daumen beim Tippen. Je nach Handposition werden bestimmte Antennen verdeckt und die Leistung beeinträchtigt. Da sich jedoch mehrere Antennen auf beiden Seiten des Geräts befinden, sind in den meisten Situationen immer noch mehrere Antennen mit guter Leistung verfügbar.
Abbildung 14: Der Hüllkurven-Korrelationskoeffizient (ECC) für die Antennen des LTE-Bandes 46 ist sehr gut, keine der beiden Antennen liegt über 0,05.
Abbildung 15: Abgebildet sind die vier Positionen des in der Studie verwendeten Poseable Hand-Modells, die mithilfe von Steuerelementen in XFdtd positioniert wurden. Im Uhrzeigersinn von oben links: linke Hand halten, zwei Hände an der Seite, zwei Hände tippen und rechte Hand halten.
Die S-Parameter-Leistung bleibt für alle Handpositionen gut, obwohl in einigen Fällen die Rückflussdämpfung erheblich beeinträchtigt wird. In Abbildung 16 ist beispielsweise die Rückflussdämpfung für die Antennen im LTE-Band 42/43 für die linke und rechte Handhaltung dargestellt, und es ist ein deutlicher Unterschied zur Rückflussdämpfung des Telefons allein in Abbildung 5 zu erkennen. Auch die SA-Antennen, die im LTE-Band 46 arbeiten, werden durch die linke und rechte Handhaltung verändert, wie in Abbildung 17 gezeigt. Bei den beiden Handpositionen gibt es weniger Störungen der S-Parameter für dieselben Antennen, da die Hände die Antennen nicht direkt bedecken, wie in den Abbildungen 18 und 19 dargestellt.
Abbildung 16: Mit der linken und der rechten Hand, die das Telefon halten, sind die Rückflussdämpfungsergebnisse für die LTE-Band 42/43-Antennen verändert, aber immer noch gut genug.
Abbildung 17: Wenn die linke und die rechte Hand das Telefon halten, bleiben die Rückflussdämpfung und die Isolierung für die LTE-Band-46-Antennen akzeptabel.
Abbildung 18: Bei den beiden Handkonfigurationen ändert sich die Rückflussdämpfung im LTE-Band 42/43 nur geringfügig und bleibt akzeptabel.
Abbildung 19: Beim höheren LTE-Band 46 haben die beiden Handkonfigurationen nur geringe Auswirkungen auf die Rückflussdämpfung und die Isolierung.
Wie zu erwarten, wird die Effizienz durch die Anwesenheit der Hände stark beeinträchtigt. Die Muster werden gestört und die Leistung geht im Handgewebe verloren, was zu einer schlechteren Leistung führt. Ein extremes Beispiel ist in Abbildung 20 für den Fall der beiden Hände an den Seiten in den LTE-Bändern 42/43 zu sehen, wo die Spitzeneffizienz nur etwa 35 % beträgt. In anderen untersuchten Fällen war die Leistung besser.
Abbildung 20: Die Effizienz wird stark von den Händen am Telefon beeinflusst. Hier wird die Effizienz für die LTE-Bänder 42/43 für die beiden Hände an den Seiten gezeigt, wobei keine Antenne über 35 % Effizienz liegt.
Die Verstärkungsmuster werden verständlicherweise durch die Handpositionen am Telefon beeinflusst. Abbildung 21 zeigt die dreidimensionalen Muster der sechs LA-Antennen in den LTE-Bändern 42/43 für den Fall, dass das Telefon allein gehalten wird. Wenn die linke Hand das Telefon hält, wie in Abbildung 22 gezeigt, werden einige der Muster, insbesondere die Antenne 10 am Daumen, stark beeinträchtigt und weisen einen wesentlich geringeren Gewinn auf. Für die seitlichen Antennen des LTE-Bandes 46 SA mit höherer Frequenz ergeben sich ziemlich einheitliche Muster, wenn das Gerät allein ist, wie in Abbildung 23. Mit den Händen an den Seiten und dem Finger neben den beiden unteren Antennen, wie in Abbildung 24, sind die Muster auf den unteren Antennen (4 und 6) im Vergleich zu den oberen Antennen (9 und 11) reduziert. Bei der Konfiguration mit zwei tippenden Händen und denselben Antennen weisen die oberen Antennen einen höheren Gewinn auf, da sich die Daumen in der Mitte des Bildschirms befinden (siehe Abbildung 25). Zusammenfassend sind die Spitzengewinne für alle Konfigurationen in den Tabellen 1 und 2 aufgeführt.
Abbildung 21: Die dreidimensionalen Gewinndiagramme der sechs LA-Antennen sind bei 3,6 GHz (LTE-Bänder 42/43) für den Fall dargestellt, dass sich das Gerät allein im freien Raum befindet. Jede Antenne strahlt wie gewünscht ein Muster mit Spitzengewinn zu den Außenkanten des Geräts ab.
Abbildung 22: Wenn die linke Hand das Telefon im LTE-Band 42/43 hält, werden die Verstärkungsmuster geändert, und das mittlere Muster unter dem Daumen (Antenne 10) hat einen stark reduzierten Gewinn.
Abbildung 23: Im LTE-Band 46 sind die dreidimensionalen Verstärkungsmuster mit der Spitzenverstärkung zur Außenseite des Geräts hin dargestellt.
Abbildung 24: Bei den beiden Händen in Seitenlage im LTE-Band 46 werden die Gewinnmuster an der Unterseite des Telefons (Antennen 4 und 6) durch die Anwesenheit der Finger gestört und sind im Vergleich zu den oberen Mustern reduziert.
Abbildung 25: Bei der Zweihand-Tippkonfiguration im LTE-Band 46 werden die oberen Muster (Antennen 9 und 11) durch den Einfluss der Daumen verstärkt, was zu einem Reflektoreffekt führt.
Tabelle 1: Die Spitzengewinne für jede Antenne bei 3,6 GHz (LTE-Bänder 42/43) sind für die fünf Konfigurationen angegeben.
Tabelle 2: Die Spitzengewinne für jede Antenne bei 5,5 Ghz (LTE-Band 46) sind für die fünf Konfigurationen dargestellt.
Wie zu erwarten, werden die ECC-Ergebnisse auch durch die Anwesenheit der Hände beeinflusst. In allen Fällen bleibt die ECC jedoch wie gewünscht deutlich unter dem Schwellenwert von 0,5. Am schlechtesten sind die ECC-Ergebnisse für die linke und rechte Hand im LTE-Band 42/43, wo die ECC bis zu 0,4 erreichen kann, wie in den Abbildungen 26 und 27 dargestellt. In allen Fällen im LTE-Band 46 bleibt die ECC unter 0,2.
Abbildung 26: Der ungünstigste ECC-Wert wird für den Fall des Haltens der rechten Hand bei den LTE-Bändern 42/43 gezeigt, wo die Korrelation zwischen den Antennen 3 und 5 bis zu 0,4 erreicht. Dies liegt immer noch unter dem Schwellenwert von 0,5.
Abbildung 27: In der linken Halteposition bei den LTE-Bändern 42/43 ist der ECC für die Antennen 8 und 10 mit einem Spitzenwert von etwa 0,33 am höchsten.
Die 12-Port-Antenne erbringt sehr gute Leistungen bei einer Vielzahl von Nutzungskonfigurationen. Während einige Handplatzierungen die Leistung von Antennen, die abgedeckt sind, beeinträchtigen, gibt es andere Antennen, die den Betrieb aufrechterhalten.
Referenz:
[1] Yixin Li, Chow-Yen-Desmond Sim, Yong Luo, and Guangli Yang, "12-Port 5G Massive MIMO Antenna Array in Sub-6GHz Mobile Handset for LTE Bands 42/43/46 Applications," IEEE Access vol. 6, pp. 344-354, 2018.
