Configuración de la antena
Figura 1: Vista superior de la geometría de la antena que muestra la disposición de la matriz de parches de 8x8.
La geometría de la antena consiste en una lámina de 52,5 x 52,5 mm de material dieléctrico (constante dieléctrica = 2,2, tangente de pérdida 0,0009, espesor 0,254 mm) que está respaldada por un plano de tierra conductor y rematada con 64 elementos de parche en una configuración 8x8. Cada parche mide 3,4025 mm cuadrados y tiene una separación de media longitud de onda a 28 GHz (aproximadamente 5,36 mm). En la figura 1 se muestra una vista de la disposición de los parches sobre la lámina dieléctrica. El punto de alimentación de cada antena está desplazado 0,75 mm del centro del parche en dirección horizontal, ya que se comprobó que en este punto se obtenían las mejores pérdidas de retorno. En cada parche se utiliza una forma de onda sinusoidal de 28 GHz con un desfase ajustable que se determina en función de la dirección deseada del haz principal. Una fórmula ampliamente utilizada para determinar el desfase de los elementos para un haz enfocado en una dirección de θd, φdes
Wn = exp{-j(2π/λ) sin(θd)[ xn cos(φd) + yn sin(φd)]}
donde xne ynson las ubicaciones (en metros) de los alimentadores en cada parche referidas al parche inicial en la esquina inferior izquierda del array, y w n es el desplazamiento de fase para el elemento ubicado en (xn, yn). En XFdtd, estas fases se asignaron a cada elemento de alimentación mediante el uso de parámetros, como se muestra en la Figura 2, donde el desplazamiento de fase se define mediante un nombre de parámetro.
Figura 2: Ejemplo de una de las definiciones de fuente para los alimentadores de parche, que muestra el desplazamiento de fase establecido como variable que puede ajustarse en función de la dirección del haz deseada.
Resultados
Se realizaron simulaciones en el conjunto para determinar el patrón de ganancia posible para diferentes condiciones de fase. En una prueba inicial se establecieron todas las fases iguales, de modo que todos los elementos irradian hacia la dirección (0°, 0°). Esto dio lugar a una ganancia máxima de poco más de 23 dBi y un ancho de haz de 3 dB de poco más de 12 grados, como se muestra en un trazado lineal a través de uno de los planos principales en la Figura 3. El mismo patrón se muestra sobre el CAD en la Figura 3. El mismo patrón se muestra sobre el dibujo CAD de la antena en tres dimensiones en la Figura 4. Con las fases ajustadas para dirigir un haz hacia (20°, 90°) el resultado es una ligera caída en la ganancia de pico a 22,9 dBi y una ampliación de la anchura del haz a unos 13,2 grados, que se muestra en tres dimensiones en la Figura 5. El barrido del haz hacia una esquina del array en la dirección (45°, 40°) reduce la ganancia de pico a 21,7 dBi y ensancha el haz una cantidad moderada (Figura 6). Al cambiar la fase para dirigir el haz hacia el horizonte, el conjunto alcanza un límite debido a los patrones de las antenas de parche originales, y se forma un diagrama de ganancia con grandes lóbulos laterales. En la Figura 7 se muestran varios patrones de haz juntos para ilustrar la dirección del haz de normal a 50 grados en pasos de 10 grados.
Figura 3: Gráfico lineal de la ganancia en un corte transversal del patrón del conjunto en el caso de que todos los parches se alimenten en fase con amplitudes iguales. La ganancia máxima es ligeramente superior a 23 dBi y el ancho de haz a 3 dB es de unos 12 grados.
Figura 4: Patrón de ganancia tridimensional del array 8x8 cuando todos los parches se alimentan en fase con amplitudes iguales.
Figura 5: Patrón de ganancia tridimensional para el array 8x8 cuando los parches están en fase para dirigir el haz principal hacia (20°, 90°).
Figura 6: Patrón de ganancia tridimensional para el array 8x8 cuando los parches están en fase para dirigir el haz principal hacia (40°, 45°).
Figura 7: Patrones de ganancia tridimensionales para seis patrones de ganancia del array 8x8 para el ajuste de fase para dirigir el haz a (0°,90°) a (50°, 90°) en incrementos de 10 grados.
Se realizaron simulaciones de las pérdidas de retorno de cada puerto y se obtuvieron valores inferiores a -30 dB, lo que indica que los parches estaban bien ajustados. La eficacia de la radiación osciló entre el 78% y más del 90% en todo el conjunto, y los parches situados cerca de los bordes del conjunto tuvieron, por lo general, una mayor eficacia.
Para examinar el rendimiento de los subarreglos, se simularon algunos casos sencillos a fin de hallar resultados típicos para arreglos de elementos de 4x4, 2x2 y 1x2. Todas estas simulaciones se realizaron con los parches alimentados con señales de igual fase. En las figuras 8 y 9 se muestran los patrones de los subconjuntos de 4x4 y 2x2 situados en una esquina del conjunto principal. Se simularon dos ubicaciones en el array, una cerca de un borde y otra cerca del centro, como sub-arrays 1x2 y sólo hubo pequeñas diferencias en sus resultados. En la figura 10 se muestra un patrón típico para un subarreglo 1x2 definido cerca del centro del array principal.
Figura 8: Patrón de ganancia tridimensional para un subarreglo de 4x4 elementos en un cuadrante del array principal.
Figura 9: Patrón de ganancia tridimensional para un subarreglo de 2x2 elementos en una esquina del array principal.
Figura 10: Patrón de ganancia tridimensional para un subarray de elementos 1x2 cerca del centro del array principal.
Resulta ineficaz simular todas las combinaciones de fases posibles para determinar el rendimiento global del array. Sin embargo, existe un macroprograma en XFdtd que permite un examen completo de los niveles de ganancia en todos los ángulos desde el array mediante el barrido del desfase de los elementos individuales. El resultado es un gráfico que muestra la función de distribución acumulativa (FDA) de la potencia isotrópica radiada efectiva (PIRE). La PIRE es una indicación de la potencia que puede irradiar una antena en una dirección determinada en comparación con un radiador isótropo. Este gráfico puede utilizarse para determinar el área fraccional de la esfera de la zona lejana que tiene una ganancia superior a 0 dBi para un nivel de potencia de entrada determinado. En general, se utiliza un nivel de potencia de 23 dBmW como nivel de entrada para dispositivos móviles. Cuando se genera la CDF para todo el array 8x8, se observa que el nivel de 23 dBmW es aproximadamente 0,225 de área fraccional (Figura 11), lo que significa que (1 - 0,225 = 0,775) el 77,5% de la esfera de la zona lejana puede iluminarse con una ganancia superior a 0 dBi. El subarray 4x4 (Figura 12) tiene una cobertura del 64,3% con una potencia de entrada de 23 dBmW. Gráficos similares se muestran para el subarreglo 2x2 (Figura 13, 50%), y un subarreglo 1x2 cerca del centro del conjunto principal (Figura 14, 40,2%). Son posibles muchos otros subarreglos además de los mostrados aquí, y pueden ser de utilidad en función de las necesidades del sistema.
Figura 11: La CDF de la p.i.r.e. del conjunto 8x8 muestra una ganancia positiva en el 77,5% de la esfera de la zona lejana para una potencia de entrada de 23 dBmW.
Figura 12: Gráfico de la CDF de la p.i.r.e. de un subarray 4x4 situado en un cuadrante del array principal que muestra una ganancia positiva en el 64,3% de la esfera de la zona lejana para una potencia de entrada de 23 dBmW.
Figura 13: Gráfico de la CDF de la p.i.r.e. de un subarray 2x2 situado en una esquina del array principal que muestra una ganancia positiva sobre el 50% de la esfera de la zona lejana para una potencia de entrada de 23 dBmW.
Figura 14: CDF de la p.i.r.e. de un subarray 1x2 situado cerca del centro del array principal que muestra una ganancia positiva en el 40,2% de la esfera de la zona lejana para una potencia de entrada de 23 dBmW.
