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Einführung
In diesem Beispiel wird eine Satellitenantenne, die ursprünglich für den Betrieb im X-Band [1] konzipiert war, in XFdtd so verändert, dass die Gesamtgröße reduziert wird und sie auf ein mobiles Gerät passt. Dies wird erreicht, indem ihre Betriebsfrequenz auf das Ku-Band bei 12,5 GHz verschoben wird. Die Antenne besteht aus einem 4x4-Array von Elementen, die jeweils vier gedrehte Patch-Elemente enthalten. Die vier Patch-Elemente werden mit Phasenanpassungen von 0, 90, 180 und 270 Grad gespeist, um ein zirkular polarisiertes Feld zu erzeugen. Das Array erzeugt einen Hauptstrahl mit einer Verstärkung von über 20,7 dBi, der über ein breites Feld von +/- 60 Grad gesteuert werden kann. Die Leistung des Arrays in dieser Konfiguration wird untersucht, um die Machbarkeit einer solchen Anwendung zu ermitteln.
Gerätedesign
Einzelnes Element
Die Antennengruppe besteht aus 64 kleinen Patch-Antennen. Jede Patch-Antenne besteht aus einem quadratischen Erregerelement und einem kleineren rechteckigen gekoppelten Resonanzelement, wie in Abbildung 1 dargestellt. Um die Bandbreite der Antenne zu verbessern, sind sowohl an den Erregungs- als auch an den Kopplungselementen Kurzschlussstifte angebracht. Die Kupferfelder befinden sich auf einem 1,8 mm dicken Substrat mit einer Dielektrizitätskonstante von 4. Das quadratische Feld ist 5,66 mm groß, während das Kopplungsfeld 2,15 x 5,09 mm groß ist und einen Abstand von 1,2 mm hat. Das Einzelelement hat einen breiten Betriebsbereich von etwa 11,795 bis 14,492 GHz, wie aus der Darstellung der Rückflussdämpfung in Abbildung 2 hervorgeht. Das Patch erzeugt eine halbkugelförmige Verstärkungsstruktur mit einer Spitzenverstärkung von 5,7 dBi bei 12,5 GHz, wie in Abbildung 3 dargestellt.
Abbildung 1: CAD-Darstellung des Einzelelement-Strahlers mit einem quadratisch gespeisten Patch und einem kleineren Kopplungs-Patch.
Abbildung 2: Die Rückflussdämpfung der Patch-Antenne zeigt eine gute Leistung zwischen 11,8 und 14,5 GHz.
Abbildung 3: Das Gewinndiagramm der Patch-Antenne hat ein gleichmäßiges Muster über dem Substrat und einen Spitzengewinn von 5,7 dBi.
Array-Element
Jedes der 4x4-Elemente des großen Arrays besteht aus vier Einzelelementen, die jeweils um 90 Grad nacheinander um einen Mittelpunkt mit einem Abstand von 0,448 mm gedreht sind, wie in Abbildung 4 dargestellt. In dieser Konfiguration ist die Antenne so abgestimmt, dass sie in einem Band von etwa 11,35 bis 14,7 GHz arbeitet, wie in Abbildung 5 gezeigt, wobei jedes Element eine identische Rückflussdämpfung aufweist. Die Elemente werden mit einer sinusförmigen Quelle bei 12,5 GHz mit einer Phasendifferenz von 90 Grad gespeist, die mit jedem Element gegen den Uhrzeigersinn zunimmt, was zu einem linkszirkular polarisierten Gewinnmuster führt. Abbildung 6 zeigt das resultierende symmetrische Muster mit einer Spitzenverstärkung von 9,5 dBi.
Abbildung 4: Ein Array-Element wird durch Kombination von vier Patch-Antennen zu einem quadratischen Muster gebildet, wobei jedes Patch um 90 Grad gedreht ist.
Abbildung 5: Die Rückflussdämpfung für das Array-Element zeigt eine gute Leistung zwischen 11,3 und 14,7 GHz.
Abbildung 6: Das Array-Element besteht aus vier Feldern, die mit einer Phasenverschiebung gespeist werden, die um 90 Grad um das Quadrat erhöht ist. Das resultierende Muster hat eine linksseitige zirkulare Polarisation und einen Spitzengewinn von 9,5 dBi.
Vollständiges Array
Um das vollständige Array zu bilden, werden die Arrayelemente in einem 4x4-Muster mit einem Abstand von 5,376 mm angeordnet, wie in Abbildung 7 dargestellt. Das Array wird zunächst auf einem größeren Substrat und einer größeren Grundplatte simuliert, um die Auswirkungen von Randeffekten auf die Leistung zu verringern. Aufgrund der begrenzten Größe der Grundplatte gibt es einige Auswirkungen auf die Rückflussdämpfung der Elemente, die bei den Arrayelementen in der Nähe der Kanten stärker ausfallen. In Abbildung 8 ist die Rückflussdämpfung der vier Patches eines der Mittelelemente dargestellt, wobei einige Schwankungen und ein Anstieg des Pegels über -10 dB oberhalb der Entwurfsfrequenz von 12,5 GHz sichtbar sind. Abbildung 9 zeigt mehr Variationen zwischen den vier Elementen für ein Eckenelement des Arrays, das sich in der Nähe der Kanten der Grundplatte befindet, aber die Leistung bei 12,5 GHz bleibt akzeptabel. Das Array erzeugt einen starken Strahl mit einer Verstärkung von fast 22 dBi und einer 3-dB-Strahlbreite von 15 Grad. Die Nebenkeulen sind um mindestens 12 dB geringer als der Hauptstrahl.
Abbildung 7: Die Array-Elemente in einer 4x4-Konfiguration auf einer großen Grundplatte werden in einer CAD-Darstellung gezeigt.
Abbildung 8: Die Rückflussdämpfung für eines der mittleren Array-Elemente zeigt eine ähnliche Rückflussdämpfung für jedes der vier Patches mit nur geringen Abweichungen, die durch benachbarte Elemente und die Kanten der Grundplatte verursacht werden.
Abbildung 9: Die Rückflussdämpfung für ein Eckelement des Arrays zeigt größere Schwankungen aufgrund der Kanteneffekte der Grundplatte. Die Leistung ist bei der Entwurfsfrequenz von 12,5 GHz immer noch gut.
Array auf Gerät
Für die in diesem Beispiel vorgeschlagene Anwendung wird das Array auf einer Plattform platziert, die einem mobilen Gerät ähnelt, um die Leistung zu messen. Die Abmessungen eines typischen Mobiltelefons sind kleiner als die volle Array-Größe von 76,5 x 76,5 mm. Hier wurde die Breite des mobilen Geräts auf 79,5 mm festgelegt, um genügend Platz für die Installation des Arrays und einen minimalen Abstand zwischen dem Rand des Geräts und den Patches zu haben, wie in Abbildung 11 gezeigt. Wie bereits bei den Ergebnissen für das gesamte Array festgestellt wurde, wirkt sich das Vorhandensein der Grundplattenkante auf die Leistung des Geräts aus. Für die mittleren Elemente des Arrays ist die Auswirkung nicht signifikant, wie in Abbildung 12 zu sehen ist, wo die Variation der Rückflussdämpfung zwischen den Patches nur gering ist. Abbildung 13 zeigt die größere Auswirkung auf die Rückflussdämpfung für die Eckenelemente des Arrays, wo große Abweichungen sichtbar sind. Bei der Entwurfsfrequenz von 12,5 GHz liegt die Rückflussdämpfung für alle Elemente deutlich unter -10 dB, so dass die Leistung nicht beeinträchtigt werden sollte. Das Array erzeugt in der Konfiguration für mobile Geräte ein ähnliches Strahlenmuster wie das vollständige Array auf einer großen Grundplatte, allerdings mit einer etwas geringeren Verstärkung von etwa 20,8 dBi, wie in Abbildung 14 zu sehen ist. Im Vergleich zu dem vom vollständigen Array auf einer großen Grundfläche erzeugten Strahl ist zu erkennen, dass die Nebenkeulen ebenfalls verschoben werden und auf der Plattform des mobilen Geräts generell größer sind. Eine polare Darstellung der Verstärkung in einem Schnitt durch die lange Abmessung des Geräts ist in Abbildung 15 zu sehen, während eine Darstellung über die Breite des Telefons in Abbildung 16 zu sehen ist. Obwohl die Kanten des Geräts die Leistung des Arrays verringern, gibt es immer noch eine ausreichende Verstärkung, geringe Nebenkeulen und eine gute Rückflussdämpfung über den interessierenden Frequenzbereich.
Abbildung 10: Das 4x4-Array erzeugt einen starken Hauptstrahl mit einem Gewinn von 21,9 dBi.
Abbildung 11: Das 4x4-Array ist auf einem mobilen Gerät montiert, wobei der Abstand zwischen dem Rahmen des Telefons und dem Array in der Breite sehr gering ist.
Abbildung 12: Die Rückflussdämpfung für ein mittleres Element des Arrays zeigt einige Effekte durch die benachbarten Elemente und die Telefonkanten, hat aber immer noch eine gute Leistung bei der Designfrequenz von 12,5 GHz.
Abbildung 13: Die Eckenelemente zeigen eine viel stärkere Auswirkung der Randeffekte des Telefonrahmens, zeigen aber immer noch eine gute Leistung bei der Entwurfsfrequenz von 12,5 GHz.
Abbildung 14: Das vom Array erzeugte Verstärkungsmuster ist bei der Montage auf dem Telefon sehr ähnlich wie auf der größeren Grundplatte. Es gibt jedoch einige Veränderungen bei der Verstärkung und den Nebenkeulen.
Abbildung 15: Ein Polardiagramm der Verstärkungsmuster des Arrays auf der großen Grundplatte im Vergleich zur Konfiguration auf dem mobilen Gerät zeigt die Abweichungen bei den Nebenkeulenpegeln und -positionen. Diese Darstellung ist ein Schnitt durch die lange Abmessung des Handygehäuses. Auch die Verstärkung des Hauptstrahls nimmt leicht ab, wenn er auf der kleineren Telefonplattform montiert wird.
Abbildung 16: Ein Polardiagramm der Verstärkungsmuster des Arrays auf der großen Grundplatte im Vergleich zur Konfiguration auf dem mobilen Gerät zeigt die Abweichungen bei den Nebenkeulenpegeln und -positionen. Diese Darstellung ist ein Schnitt durch die kurze Abmessung des Handygehäuses. Auch die Verstärkung des Hauptstrahls nimmt leicht ab, wenn er auf der kleineren Telefonplattform montiert wird.
Der Strahl des Arrays kann durch Änderung der Phasenverschiebung zwischen den Arrayelementen gelenkt werden. In Abbildung 17 wird ein Strahl erzeugt, dessen maximale Verstärkung 16 Grad von der vertikalen Richtung abweicht. Dieser Strahl wird erzeugt, indem die Phasenverschiebung für jede Reihe von Elementen um 90 Grad in Längsrichtung des Geräts erhöht wird. In ähnlicher Weise können viele andere Strahlen mit unterschiedlichen Phaseneinstellungen erzeugt werden. Abbildung 18 zeigt das maximale Haltemuster der möglichen Strahlen von 0 bis 60 Grad nach unten von der Vertikalen in 5-Grad-Schritten und 15-Grad-Schritten im Azimut. Wie man sieht, ist mit dem Array ein großer Abdeckungsbereich mit einer Verstärkung von fast 19 dBi über einen Bereich von +/- 60 Grad möglich.
Abbildung 17: Gezeigt wird ein um 16 Grad aus der Vertikalen geneigter Strahl. Dieser Strahl wurde erzeugt, indem die Phase entlang der langen Dimension des Telefons um 90 Grad zwischen jeder Reihe des Arrays variiert wurde.
Abbildung 18: Gezeigt wird ein Max-Hold-Muster der vom Telefon erzeugten Strahlen mit Winkelabweichungen von +/- 60 Grad von der Vertikalen in 5-Grad-Schritten und 15-Grad-Schritten in azimutaler Richtung. Das erzeugte Muster deckt die gesamte Halbkugel mit High-Gain-Strahlen ab.
Zusammenfassung
In diesem Beispiel wurde die Leistung einer Ku-Band-Satellitenantenne in einem mobilen Gerät als Test des Konzepts analysiert. Das Array weist aufgrund der geringen Abmessungen der Plattform einige Leistungsverluste auf, bietet aber dennoch einen hohen Gewinn und eine breite Abdeckung bei der geplanten Frequenz.
Referenz:
C. Karlsson, P. Cavero, T. Tekin und D. Pouhè, "A new broadband antenna for satellite communications," 2014 IEEE-APS Topical Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications (APWC), 2014, pp. 800-803, doi: 10.1109/APWC.2014.6905588.
