EM simulación de 28 GHz serie-FED patch Antenna array para 5G

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Parte del debate para la comunicación inalámbrica de próxima generación es la capacidad de dirigir rápidamente las vigas desde matrices de antenas a frecuencias más altas.  En este ejemplo, una antena propuesta [1] se compone de ocho elementos de parche alimentados por serie, cada uno de los cuales contiene ocho parches que están conectados de tal manera que producen ondas de pie y comportamiento de onda viajera.  La matriz produce una sola viga que puede ser barrida en el eje horizontal de la matriz variando el escalonamiento de las señales en las entradas de los elementos.

La matriz se evalúa para las métricas de rendimiento estándar, como los parámetros S y la ganancia, así como para la potencia isótropa radiada efectiva (EIRP).  EIRP es efectivamente la potencia de entrada suministrada a una antena multiplicada por la ganancia de esa antena.  Indica la potencia total que una antena isotrópica tendría que irradiar para que coincida con la intensidad de la señal del haz principal de la antena evaluada.  Las simulaciones en este documento se realizan utilizando XFdtd® EM Simulation software.

Figura 1: representación CAD de un único elemento de parche 1x8 visualizado desde la parte superior.

La matriz final se construye a partir de ocho elementos de parche de la serie 1x8 separados, como los que se muestran en la figura 1.  Las características de un solo elemento serán examinadas primero antes de discutir la matriz.  Cada parche es de 3,539 mm x 3,539 mm y está separado de 3,539 mm.  El último parche en la línea tiene un recorte de muesca de 0,6269 mm x 2,727 mm en el lado de conexión.  Las líneas de microtiras que conectan los parches tienen una anchura de 0,494 mm.  La línea de alimentación inicial es de 2,215 mm de largo y 0,72 mm de ancho.  La longitud total del elemento es de 55,3 mm.  La antena está en un sustrato con una constante dieléctrica de 2,2, una tangente de pérdida de 0,0009 y un espesor de 0,254 mm. 

La geometría se divide en una malla FDTD utilizando el PrOGrid característica en XFdtd.  Cada elemento de la geometría tiene los puntos fijos automáticos habilitados para alinear perfectamente las esquinas de las estructuras con la rejilla FDTD.  El tamaño mínimo de la característica para buenos conductores se establece para que sea el ancho de la línea de microtiras entre parches y que se define para tener al menos ocho celdas FDTD a través de él.  El sustrato dieléctrico se define para tener al menos cinco células FDTD de espesor utilizando el ajuste de tamaño mínimo de la función de conductor deficiente.  El número total de celdas por longitud de onda se establece en 60 para garantizar buenos resultados.

La entrada para el elemento es una fuente de voltaje que inicialmente se excita por una señal de banda ancha que cubre de 26 a 30 GHz para los resultados del parámetro S.  Después de una simulación para calcular los parámetros S, la pérdida de retorno se encuentra que tiene una respuesta débil debido a una coincidencia deficiente.  Esto se corrige añadiendo un circuito coincidente consistente en un inductor de serie y un capacitor paralelo (0,22 nH y 0,09 pF).  La pérdida de retorno de entrada coincidente produce un valor nulo cerca de 28 GHz (Figura 2).  El patrón de ganancia de campo lejano para el elemento único (Figura 3) indica un lóbulo central fuerte normal a los parches con una ganancia máxima de 16,77 dBi.  Se observa que el lóbulo lateral de cresta está por debajo de 13 dBi desde el lóbulo principal, como se muestra en la figura 4.

Figura 2: la pérdida de retorno para el elemento 1x8 está ligeramente fuera de sintonía cuando se alimenta con una fuente de 50-Ohm. Añadiendo un simple circuito de coincidencia LC, el dispositivo se sintoniza a 28 GHz.

Figura 3: el patrón de ganancia de campo lejano de the1x8 elemento tiene un fuerte Haz central que se centra en una dimensión y circular en otros. La ganancia máxima es de poco menos de 17 dBi.

Figura 4: en la cota XZ (plano E) el patrón de antena tiene la viga principal con ganancia de 16,77 dBi y un nivel de lóbulo de pico de 3,73 dBi.

Para crear la matriz, ocho de los elementos 1x8 individuales se espacian 5,352 mm de distancia para formar una matriz que mide 55,3 mm x 41 mm como se muestra en la figura 5.  Para generar datos de parámetro S de banda ancha, se aplica una excitación de pulso a cada uno de los ocho puertos de entrada.  Un circuito coincidente similar al utilizado para el único elemento se aplica a todos los puertos de entrada de la matriz.  La pérdida de retorno para los ocho puertos se considera muy similar tal y como se muestra en del cuadro 6, mientras que el aislamiento entre los puertos adyacentes está por debajo de-15 dB para cada uno (Figura 7). 

Figura 5: se muestra una representación CAD de la combinación de ocho de los elementos 1x8 en una matriz. Los elementos están espaciados 5,352 mm de distancia, centro a centro.

Figura 6: la pérdida de retorno de cada puerto se muestra sintonizada para 28 GHz después de la adición de circuitos de coincidencia de LC simples a cada alimentación.

Figura 7: se muestra que el aislamiento entre los puertos adyacentes es menor que-15 dB para todas las combinaciones posibles.

Figura 8: el patrón de ganancia para la matriz cuando todas las entradas se alimentan en la fase da como resultado una viga central fuerte con ganancia de 24 dBi.

Dependiendo del escalonamiento de las señales en cada uno de los puertos de entrada, se puede definir un número de vigas diferentes.  Cuando todos los puertos se alimentan en fase, la viga normal al plano de la matriz se forma con la ganancia máxima de 24 dBi (Figura 8).  Debido a la naturaleza de esta geometría, las vigas sólo pueden ser orientadas en un plano, paralela a la línea de puertos de entrada.  Para ajustar el escalonamiento, la ecuación de Butler Matrix se utiliza para calcular la diferencia de fase entre elementos.  Se define como:

Αme = [(2i – 1) – M]/M * π

donde αme es la diferencia de fase entre los elementos, i es el número de viga o el número de puerto de entrada de la matriz Butler, y M es el número de puertos. En este caso, el escalonamiento para vigas 1-8 es-157,5 DEG,-112,5 DEG,-67,5 DEG,-22,5 DEG, 22,5 DEG, 67,5 DEG, 112,5 DEG y 157,5 DEG. El cambio de fase se aplica a través de los puertos de entrada, por lo que el primer puerto tendrá un desplazamiento de 0 grados, el segundo-157,5 grados, el tercero-315 grados, etc. para el caso de la viga 1. Estos cambios de fase se aplican con una entrada sinusoidal a 28 GHz. Las vigas resultantes en el YZ (plano E) se muestran en la figura 9 como una serie de trazados de línea con direcciones de lóbulo principal de +/-55 grados, +/-37 grados, +/-21,5 grados y +/-7 grados. En tres dimensiones, las vigas 1 a 4 se pueden ver en las figuras 10-13. Las ocho vigas se muestran en la imagen de 1 3 dimensiones en la figura 14.

Figura 9: después de aplicar los cambios de fase de Butler Matrix a cada puerto, se forma un haz dirigido. Se muestran ocho posibles vigas.

Figura 10: el patrón de ganancia formado a partir de la matriz Butler Matrix para #1 de viga (-157,5 grados por puerto) tiene una viga ancha con ganancia máxima a 55 grados.

Figura 11: el patrón de ganancia formado a partir de la matriz Butler Matrix para #2 de viga (-112,5 grados por puerto) tiene un haz más centrado con ganancia máxima en 37 grados. La flecha blanca indica la dirección de la ganancia máxima.

Figura 12: el patrón de ganancia formado a partir de la matriz Butler Matrix para #3 de viga (-67,5 grados por puerto) tiene una ganancia máxima de 21,5 grados.

Figura 13: el patrón de ganancia formado a partir de la fase de Butler Matrix para #4 de viga (-22,5 grados por puerto) tiene una ganancia máxima de 7 grados.

Figura 14: se muestra una vista lateral de los ocho haces producidos por la ecuación de fase de Butler Matrix. Cada viga representa una simulación independiente.

Esta matriz se ha demostrado para formar ocho vigas con el Butler Matrix fase; sin embargo, un análisis adicional de la ganancia total sobre todas las posibles combinaciones de fases es posible calculando la función de distribución acumulativa de la potencia isótropa radiada efectiva.  Esta gráfica muestra el área fraccionaria de la esfera de campo lejano tridimensional que cubre la matriz para una cantidad determinada de potencia de entrada.  Para esta matriz, el CDF de la gráfica EIRP (Figura 15) muestra que para una potencia de entrada de 23 dBmW, la matriz tiene una ganancia positiva de alrededor del 27,4% de la esfera de la zona lejana.  Esto representa el área de escaneo donde las vigas tienen ganancia positiva, que está limitada por el plano de tierra debajo de la matriz que bloquea el 50% del volumen de radiación.  El hemisferio superior de la región de la zona lejana es escaneado por las vigas en un solo eje debido al diseño de la matriz, por lo que la región escaneada es relativamente limitada.  La gráfica también muestra que el pico EIRP es de aproximadamente 46,4 dBmW.

Figura 15: el gráfico de la función de distribución acumulativa del EIRP muestra que para 23 dBmW de potencia de entrada, aproximadamente (1-. 726) o 27,4% de la esfera de campo lejano tridimensional tendrá una ganancia positiva.

Figura 16: un dispositivo Rotman Lens adecuado para su uso como el extremo delantero de la matriz se muestra en el software RLD de RemCom.

Como alternativa al uso de las ecuaciones de Butler Matrix y el ajuste de las fases en el software, también es posible utilizar un verdadero dispositivo de retardo de tiempo como una lente Rotman en la simulación para formar las vigas con esta matriz.  El uso de RemCom Rotman Lens Designer® (RLD), una lente adecuada (mostrada en la figura 16 en el software RLD) fue diseñada para cumplir con los criterios de la matriz.  Después de exportar el archivo CAD de la lente de RLD e importarlo en XFdtd, se realiza una geometría completa con ocho puertos de entrada y cuatro puertos ficticios de pared lateral (Figura 17).  En las simulaciones, las vigas se crean alimentando un único puerto a la vez en lugar de ajustar la fase de paso sobre cada puerto.  Después de ocho simulaciones, cada una con un puerto diferente activo, las ocho vigas formadas por el array son visibles en la figura 18.  La cobertura es similar a la fase de Butler Matrix mostrada anteriormente en la figura 14.

Figura 17: la geometría resultante de la matriz con la etapa de formación de haces de Rotman Lens se muestra como un archivo CAD tridimensional en XFdtd.

Figura 18: se muestran los ocho posibles patrones de viga de la matriz generada activando uno de los puertos de la lente Rotman a la vez.

Referencia:

[1] m. k. Ishfaq, t. A. Rahman, y. Yamada, y K. Sakakibara, "8x8 phased series FED patch antena array a 28 GHz para las antenas de la estación base móvil 5G," 2017 IEEE-APS Conferencia tópica sobre antenas y propagación en comunicaciones inalámbricas (APWC), PP. 160-162, 2017.