Beamforming para una matriz de antena de parche de 8x8 planar phased patch para 5G a 28 GHz

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Configuración de la antena

Figura 1: una vista superior de la geometría de la antena que muestra el diseño de la matriz de parches 8x8.

La geometría de la antena consiste en una hoja 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 respaldado por un plano de tierra conductora y coronado con 64 elementos de parche en una configuración de 8x8. Cada parche es de 3,4025 mm cuadrados y se espacian una media longitud de onda a 28 GHz (aproximadamente 5,36 mm) de distancia. Una vista del diseño del parche en la hoja dieléctrica es visible en la figura 1. El punto de alimentación para cada antena se compensa desde el centro del parche por 0,75 mm en la dirección horizontal, ya que se encontró que era la ubicación del mejor resultado de pérdida de retorno. Una forma de onda sinusoidal de 28 GHz se utiliza en cada parche con un offset de fase ajustable que se determina en función de la dirección deseada de la viga principal. Una fórmula ampliamente utilizada para determinar el escalonamiento de los elementos de una viga enfocada en una dirección de θ D Φ D Es

WN = exp{-j(2π/λ) sin(θD) [xN cos (φD) + yN pecado (φD)]}

donde x N e y N son las ubicaciones (en metros) de los feeds en cada parche referenciados al parche inicial en la esquina inferior izquierda de la matriz, y w N es el desplazamiento de fase para el elemento ubicado en (x N , y N ). 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 origen para las fuentes de revisión, que muestra el conjunto de cambios de fase como una variable que puede ajustarse en función de la dirección de viga deseada.

 

Resultados

Se realizaron simulaciones en la matriz para determinar el patrón de ganancia posible para diferentes condiciones de fase.  Una prueba inicial establece todas las fases iguales por lo que todos los elementos se irradian hacia la dirección (0 °, 0 °).  Esto dio como resultado una ganancia máxima de poco más de 23 dBi y una anchura de haz de 3 dB de poco más de 12 grados, como se muestra en una gráfica de línea a través de uno de los planos principales de 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 máxima de 22,9 dBi y una ampliación de la anchura de haz a aproximadamente 13,2 grados, que se muestra en tres dimensiones en la figura 5.  El barrido de la viga a una esquina de la matriz en la dirección (45 °, 40 °) reduce la ganancia máxima hasta 21,7 dBi y amplía la viga una cantidad moderada (Figura 6).  A medida que se cambia el escalonamiento para dirigir la viga hacia el horizonte, la matriz alcanza un límite debido a los patrones de las antenas de parche originales, y una gráfica de ganancia con formas de lóbulos laterales grandes.  En la figura 7 se muestran varios patrones de haz juntos para ilustrar la dirección de la viga de normal a 50 grados en pasos de 10 grados.

Figura 3: una gráfica de línea de la ganancia en un corte transversal del patrón de matriz para el caso donde todos los parches se alimentan en fase con amplitudes iguales. La ganancia máxima es de poco más de 23 dBi y la anchura de haz de 3 dB es de aproximadamente 12 grados.

Figura 4: el patrón de ganancia tridimensional para la matriz de 8x8 cuando todos los parches se alimentan en fase con amplitudes iguales.

Figura 5: el patrón de ganancia tridimensional para la matriz de 8x8 cuando los parches son escalonados para dirigir el haz principal hacia (20 °, 90 °).

Figura 6: el patrón de ganancia tridimensional para la matriz de 8x8 cuando los parches son escalonados para dirigir el haz principal hacia (40 °, 45 °).

Figura 7: patrones de ganancia tridimensional para seis patrones de ganancia de la matriz de 8x8 para el ajuste gradual para dirigir la viga a (0 °, 90 °) a (50 °, 90 °) en incrementos de 10 grados.

Se ejecuto simulaciones para la pérdida de retorno para cada puerto y se encontró que tenían valores por debajo de-30 dB indicando que los parches estaban correctamente ajustados.  La eficiencia de la radiación varió de aproximadamente 78% hasta más de 90% sobre el array, con parches cerca de los bordes de la matriz que generalmente tienen mayores eficiencias.  

Para examinar el rendimiento de las submatrices, se simularon algunos casos simples para encontrar resultados típicos para las matrices de elementos de 4x4, 2x2 y 1X2.  Todas estas simulaciones se realizaron con los parches alimentados con señales de fase iguales.  Los patrones para las submatrices 4x4 y 2x2 en una esquina de la matriz principal se muestran en la figura 8 y la figura 9.  Dos ubicaciones en la matriz, una cerca de un borde y una cerca del centro, se simularon como sub-matrices 1x2 y sólo hubo diferencias menores en sus resultados.  Un patrón típico para un sub-array 1x2 definido cerca del centro de la matriz principal se muestra en la figura 10. 

Figura 8: el patrón de ganancia tridimensional para una submatriz 4x4 de elementos en un cuadrante de la matriz principal.

Figura 9: el patrón de ganancia tridimensional para una submatriz 2x2 de elementos en una esquina de la matriz principal.

Figura 10: el patrón de ganancia tridimensional para una sub-matriz 1x2 de elementos cerca del centro de la matriz principal.

No es eficaz simular todas las combinaciones de fases posibles para determinar el rendimiento general de la matriz.  Sin embargo, un programa macro en XFdtd está disponible que permite un examen completo de los niveles de ganancia en todos los ángulos de la matriz mediante el barrido del escalonamiento de los elementos individuales.  El resultado es una trama que muestra la función de distribución acumulativa (CDF) de la Potencia radiada isótropa efectiva (EIRP).  El EIRP es una indicación de la potencia que una antena puede irradiar en una dirección dada en comparación con un radiador isotrópico.  Esta gráfica se puede utilizar para determinar el área fraccionaria de la esfera de zona lejana que tiene una ganancia superior a 0 dBi para un nivel de potencia de entrada determinado.  En términos generales, se utiliza un nivel de potencia de 23 dBmW como nivel de entrada para dispositivos móviles.  Cuando se genera la CDF para toda la matriz 8x8, se encuentra que el nivel de 23 dBmW es aproximadamente 0,225 área fraccionaria (Figura 11), lo que significa que (1 – 0,225 = 0,775) el 77,5% de la esfera de la zona lejana se puede iluminar con una ganancia superior a 0 dBi.  La submatriz 4x4 (Figura 12) tiene una cobertura del 64,3% con una potencia de entrada de 23 dBmW.  Se muestran trazados similares para la submatriz 2x2 (Figura 13, 50%) y una submatriz 1x2 cerca del centro de la matriz principal (Figura 14, 40,2%).  Muchos otros subarrays más allá de los mostrados aquí son posibles y pueden ser de valor dependiendo de las necesidades del sistema.

Figura 11: la CDF de la gráfica EIRP para la matriz completa 8x8 muestra una ganancia positiva de más del 77,5% de la esfera de zona lejana para una potencia de entrada de 23 dBmW.

Figura 12: la CDF de la trama EIRP para una submatriz 4x4 ubicada en un cuadrante de la matriz principal que muestra una ganancia positiva de más del 64,3% de la esfera de la zona lejana para una potencia de entrada de 23 dBmW.

Figura 13: la CDF de la trama EIRP para una submatriz 2x2 ubicada en una esquina de la matriz principal que muestra una ganancia positiva de más del 50% de la esfera de zona lejana para una potencia de entrada de 23 dBmW.

Figura 14: la CDF de la trama EIRP para una submatriz 1x2 situada cerca del centro de la matriz principal que muestra una ganancia positiva de más del 40,2% de la esfera de zona lejana para una potencia de entrada de 23 dBmW.