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Introducción
Este ejemplo utiliza las funciones de diseño de dispositivos 5G de XFdtd para analizar el rendimiento y la interacción de dos sistemas de antena que funcionan a 4G (860 MHz) y 5G (28 GHz) muy próximos en el diseño de un smartphone. La antena 4G está pensada para producir un amplio patrón de cobertura, mientras que el conjunto 5G debe producir haces estrechos que puedan orientarse variando la fase entre los elementos. La antena 4G tiene un diseño de L invertida y está situada en la parte superior del teléfono. El conjunto de antenas 5G consta de cuatro elementos Yagi-Uda que están cerca de la antena 4G pero desplazados por un bloque conductor. Los diseños de antena utilizados en este ejemplo proceden del artículo [1].
Geometría del dispositivo
La geometría del ejemplo se basa en una placa de circuito impreso simplificada de un smartphone. Se utiliza una lámina de cobre de 150x70x1 mm como plano de tierra para el sistema con las estructuras de antena montadas en un extremo, como se muestra en la figura 1. La antena 4G se coloca directamente sobre el plano de tierra en forma de L invertida con una sección transversal de 1x1 mm y longitudes de 6 mm en la pata corta y 70 mm en la pata larga. Está alimentada por una fuente de tensión situada entre el plano de tierra y el extremo de la pata corta. El conjunto 5G se compone de cuatro elementos Yagi-Uda idénticos, como se muestra en la figura 2. Los elementos están montados en un soporte de 0,5 mm de grosor. Los elementos están montados sobre un sustrato de 0,3 mm de espesor (constante dieléctrica = 3,6, tangente de pérdida = 0,006) que está separado de la placa de masa por un bloque conductor de 2,2 mm de espesor. También hay un elemento horizontal de la antena Yagi-Uda en la parte posterior del sustrato, visible en la figura 3. Cada elemento 5G está alimentado por una fuente Nodal Waveguide.
Figura 1: El diseño del smartphone se muestra en una representación CAD tridimensional con la antena 4G y las estructuras del conjunto 5G visibles a la izquierda en un extremo del gran plano de tierra.
Figura 2: Vista CAD del conjunto 5G que muestra los cuatro elementos Yagi-Uda sobre un sustrato dieléctrico con la antena L invertida 4G detrás.
Figura 3: Una vista inferior del conjunto de antenas muestra la separación de los elementos 4G y 5G y la cara posterior del sustrato.
La estructura se malló utilizando la función PrOGrid Project Optimized Gridding® de XFdtd con una configuración base de 30 celdas FDTD por longitud de onda. Los tamaños mínimos de las características se definen para garantizar que el sustrato tenga cinco celdas FDTD de grosor y que las características más pequeñas del conductor tengan cinco celdas de diámetro. También se aplican puntos fijos automáticos a todas las piezas para garantizar que las líneas de cuadrícula se colocan en todos los bordes de la geometría.
Resultados
La antena 4G está alimentada por una fuente de banda ancha que inicialmente se representa como una fuente de tensión de 50 ohmios conectada entre el plano de tierra y la base de la antena. La antena no se adapta bien a la fuente de 50 ohmios, por lo que la pérdida de retorno es baja. Tras una simulación inicial para determinar la impedancia de la carga de la antena, puede definirse un circuito de adaptación para mejorar el rendimiento de la antena. En este caso, se selecciona una red de adaptación de paso bajo-PI formada por dos condensadores y un inductor, y los valores de los componentes se determinan utilizando calculadoras analíticas de circuitos de adaptación. Los componentes de la red de adaptación se definen en un formato de lista de red SPICE y se importan a XFdtd como subcircuito, tal y como se muestra en la Figura 4. Este subcircuito se puede importar a XFdtd. A continuación, este subcircuito puede añadirse a una fuente de tensión XFdtd como circuito de adaptación (Figura 5). Durante la ejecución del programa, tiene lugar una simulación conjunta del cálculo de onda completa FDTD y un solucionador de circuitos para cada paso de tiempo en el borde de la celda que contiene el circuito de adaptación. Para el resto del espacio de cálculo se realiza una simulación FDTD de onda completa normal. En la figura 6 se muestran los diagramas de pérdidas de retorno resultantes para la antena 4G sin adaptación y con adaptación, y se aprecia la notable mejora que aporta el circuito de adaptación. La ganancia de la antena 4G se muestra en la figura 7 y puede verse que proporciona una amplia cobertura con una ganancia de pico de 2,7 dBi.
Figura 4: Se muestra el menú del netlist del circuito de adaptación utilizado en la antena 4G. El netlist contiene dos condensadores y un inductor.
Figura 5: Se muestra el menú de fuente de tensión en XFdtd para el puerto con el circuito de adaptación que se utiliza para la antena 4G.
Figura 6: Comparación de las pérdidas de retorno de la antena 4G con y sin adaptación.
Figura 7: El patrón de ganancia 3D de la antena 4G muestra una cobertura bastante uniforme alrededor del dispositivo y una ganancia máxima de 2,7 dBi.
Se varía la orientación del conjunto de antenas 5G con respecto a la antena 4G para determinar el impacto de la posición en el rendimiento de cada antena. Se consideran tres configuraciones, que se muestran en la Figura 8: desplazar el conjunto 5G de modo que la parte superior de las antenas 5G quede 2 mm por debajo de la parte superior de la antena 4G, mantener la parte superior de las antenas 5G y 4G al mismo nivel, o desplazar el conjunto 5G 2 mm hacia arriba. En estos casos iniciales, el desplazamiento de fase entre los elementos del conjunto 5G se mantiene en cero. El impacto del desplazamiento se muestra en las figuras 9 y 10, donde puede verse que el desplazamiento del conjunto 5G 2 mm hacia abajo tiene un impacto notable en el patrón de ganancia en los planos XY e YZ. Si se desplaza el conjunto 5G 2 mm hacia arriba, se obtiene un diagrama similar al que se obtiene si se retira completamente la antena 4G de la geometría. Cuando las partes superiores de las antenas 4G y 5G están alineadas, se produce un ligero impacto en el patrón de la antena 5G. En todos los casos, el diagrama de la antena 4G solo se ve ligeramente afectado, como puede verse en la figura 11.
Figura 8: Se consideran tres configuraciones diferentes del conjunto 5G en relación con la antena 4G (de izquierda a derecha): un desplazamiento de la parte superior de las antenas 5G de 2 mm por debajo de la antena 4G, una alineación uniforme entre la parte superior de las antenas 5G y la antena 4G, y un desplazamiento de la parte superior de las antenas 5G de 2 mm por encima de la antena 4G.
Figura 9: Se muestran los diagramas de ganancia en el plano XY del conjunto 5G con desplazamiento de fase cero entre los elementos. Puede observarse que con el conjunto 5G desplazado 2 mm por encima de la antena 4G, el patrón es similar al que se obtiene cuando se elimina la antena 4G de la geometría. Se observan patrones similares cuando las partes superiores de las antenas 4G y 5G están alineadas. Cuando las antenas 5G se desplazan 2 mm por debajo de la antena 4G, el patrón 5G se ve afectado significativamente.
Figura 10: Los trazados del diagrama de ganancia en el plano YZ del conjunto 5G con desplazamiento de fase cero entre elementos muestran resultados similares para el desplazamiento de 2 mm por encima al caso de la antena 4G eliminada. Hay cierto impacto en el patrón del conjunto 5G cuando las partes superiores de las antenas están alineadas y un impacto mayor cuando las antenas 5G están desplazadas 2 mm por debajo de la antena 4G.
Figura 11: El patrón de ganancia de la antena 4G en el plano XY sólo se ve ligeramente afectado por el movimiento del conjunto de antenas 5G.
A continuación, el conjunto de antenas 5G se alimenta con una fuente sinusoidal de 28 GHz con igual amplitud y un desplazamiento de fase variable a través de los elementos para la configuración en la que el conjunto 5G se sitúa 2 mm por encima de la antena 4G. Con el conjunto alimentado con todos los elementos en fase, el diagrama producido tiene una ganancia de pico de unos 12,5 dBi con un ancho de haz de 3 dB de 17 grados y un nivel de lóbulos laterales de pico inferior a 0 dBi (Figura 12). Tras aplicar un desplazamiento de fase de 120 grados entre cada elemento del conjunto 5G, el haz se escanea 24,5 grados hacia un lado, como se muestra en la figura 13. La aplicación de desplazamientos de fase de -180, -120, -60, 0, 60 y 120 grados a los alimentadores produce una serie de haces procedentes del conjunto, que se muestran en la Figura 14, donde todos los haces se representan al mismo tiempo.
Figura 12: El patrón de ganancia del array 5G con desplazamiento de fase cero entre elementos muestra un haz con una ganancia pico de 12,5 dBi y un ancho de haz de 17 grados en el plano XY.
Figura 13: El patrón de ganancia del conjunto 5G con un desplazamiento de fase de 120 grados entre elementos muestra un haz inclinado 24,5 grados en el plano XY.
Figura 14: Se muestran seis posibles haces del array 5G en patrones de ganancia 3D y 2D para los casos de un desplazamiento de fase entre elementos de 180, 120, 60, 0, -60 y -120 grados.
Resumen
Se evalúa un dispositivo smartphone simplificado con una antena 4G combinada con un conjunto 5G a 28 GHz para distintas configuraciones del conjunto 5G en relación con la antena 4G. Se encontró una configuración óptima con la antena 5G desplazada 2 mm verticalmente con respecto a la antena 4G, con resultados que indican que casi no hay interacción entre los elementos 4G y 5G.
Referencia:
[1] T. Yamagajo, Y. Koga, M. Kai, T. Tonooka, H. Sumi y M. Hoshino, "A Nobel 4G and 5G Antenna Solution for Future Smartphones", IEEE Antennas and Propagation Society Int. Symp., pp. 1785-1786, 2018.
