Análisis de antenas combinadas 5G/4G en un smartphone mediante EM Simulation

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Introducción

Este ejemplo utiliza Diseño de dispositivos 5G de XFdtd características a analizar para analizar el rendimiento y la interacción de dos sistemas de antena que operan a 4G (860 MHz) y 5G (28 GHz) en proximidad cercana en un diseño de smartphone.  La antena 4G está destinada a producir un patrón amplio para una amplia cobertura, mientras que la matriz 5G debe producir vigas estrechas que pueden ser dirigidas por la variación de la fase entre los elementos.  La antena 4G es un diseño de L invertido y se encuentra en la parte superior del teléfono.  El array de antenas 5G consta de cuatro elementos Yagi-UDA que están cerca de la antena 4G pero compensados por un bloque conductor.  Los diseños de antena utilizados en este ejemplo son del papel [1].

Geometría del dispositivo

La geometría del ejemplo se basa en una PCB simplificada para smartphones.  Una hoja de cobre de 150x70x1 mm se utiliza 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 una forma de L invertido que tiene una sección transversal de 1x1 mm y longitudes de 6 mm en la pata corta y 70 mm en la pata larga.  Es alimentado por una fuente de tensión entre el plano de tierra y el extremo de la pata corta.  La matriz 5G se compone de cuatro elementos Yagi-UDA idénticos que se muestran en la figura 2.  Los elementos están montados sobre un sustrato de 0,3 mm de grosor (constante dieléctrica = 3,6, pérdida tangente = 0,006) que se separa del plano de tierra por un bloque conductor de 2,2 mm de grosor.  También hay un elemento horizontal de la antena Yagi-UDA en la parte posterior del sustrato que es visible en la figura 3.  Cada elemento 5G es alimentado por un Guía de ondas de nodal Fuente.

Figura 1: el diseño del smartphone se muestra en una representación CAD tridimensional con la antena 4G y las estructuras de la matriz 5G visibles a la izquierda en un extremo del plano de tierra grande.

Figura 2: una vista CAD de la matriz 5G que muestra los cuatro elementos Yagi-UDA en un sustrato dieléctrico con la antena L invertida 4G detrás.

Figura 3: una vista inferior de la matriz de antenas muestra la separación de los elementos 4G y 5G y la parte posterior del sustrato.

La estructura se malló utilizando el Proyecto PrOGrid optimizado Gridding® característica de XFdtd con un ajuste base de 30 células FDTD por longitud de onda.  Los tamaños mínimos de las características se definen para asegurar que el sustrato tiene cinco células FDTD de espesor y las características de conductor más pequeñas son cinco celdas a través.  Los puntos fijos automáticos también se aplican a todas las piezas para garantizar que las líneas de rejilla se colocan en todos los bordes de la geometría.

Resultados

La antena 4G es alimentada por una fuente de banda ancha que se representa inicialmente como una fuente de voltaje de 50 ohmios unida entre el plano de tierra y la base de la antena.  La antena no es una buena coincidencia con la fuente de 50 ohmios, resultando en una pérdida de retorno deficiente.  Después de una simulación inicial para determinar la impedancia de la carga de la antena, se puede definir un circuito coincidente para mejorar el rendimiento de la antena.  En este caso, una red de coincidencia lowpass-PI que consiste en dos condensadores y un inductor se selecciona para el uso y los valores de componente se determinan usando las calculadoras de circuito que emparejan analíticas.  Los componentes de red coincidentes se definen en un formato SPICE NetList y, a continuación, se importan en XFdtd como un subcircuito como se muestra en la figura 4.  Este sub-circuito puede agregarse a una fuente de voltaje XFdtd como un circuito coincidente (Figura 5).  Durante la ejecución del programa, se realiza una co-simulación del cálculo de onda completa del FDTD y un solucionador de circuitos para cada paso de tiempo en el borde de la celda que contiene el circuito coincidente.  Se realiza una simulación FDTD de onda completa normal para el resto del espacio de cálculo.  Las gráficas de pérdida de retorno resultantes para la antena 4G inigualable y coincidente se muestran en la figura 6 y la mejora marcada del circuito coincidente es visible.  La ganancia de la antena 4G se muestra en la figura 7 y se puede ver que proporciona una amplia cobertura con una ganancia máxima de 2,7 dBi.

Figura 4: se muestra el menú de la lista de NetList del circuito coincidente utilizado en la antena 4G. La lista de NetList contiene dos capacitores y un inductor.

Figura 5: se muestra el menú de fuente de voltaje en XFdtd para el puerto con el circuito coincidente que se utiliza para la antena 4G.

Figura 6: comparación de pérdidas de retorno para la antena 4G inigualable y coincidente.

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.

La orientación de la matriz de antena 5G relativa a la antena 4G es variada para determinar el impacto de la posición en el rendimiento de cada antena.  Se consideran tres configuraciones y se muestran en la figura 8: cambie el array 5G de modo que las cimas de las antenas 5G estén a 2 mm por debajo de la parte superior de la antena 4G, mantenga las cimas de las antenas 5G y 4G al mismo nivel, o cambie el array 5G por 2 mm.  En estos casos iniciales, el desplazamiento de fase entre los elementos de la matriz 5G se mantiene en cero.  El impacto de la compensación se muestra en la figura 9 y la figura 10 donde se puede ver que el desplazamiento del array 5G hacia abajo por 2 mm tiene un impacto notable en el patrón de ganancia en los planos XY y YZ.  Si se mueve la matriz 5G por 2 mm, se produce un patrón similar al de la antena 4G completamente eliminada de la geometría.  Cuando la parte superior de las antenas 4G y 5G están alineadas, hay un leve impacto en el patrón de la antena 5G.  En todos los casos, el patrón de antena 4G sólo se ve ligeramente afectado, como se puede ver en la figura 11.

Figura 8: se consideran tres configuraciones diferentes de la matriz 5G en relación con la antena 4G (de izquierda a derecha): un desfase de la parte superior de las antenas 5G 2 mm por debajo de la antena 4G, incluso la alineación entre la parte superior de las antenas 5G y la antena 4G y un desfase de la parte superior de las antenas 5G de 2mm por encima de la antena 4G.

Figura 9: se muestran las parcelas del patrón de ganancia en el plano XY del array 5G con cambio de fase cero entre los elementos. Se puede ver que con la matriz 5G compensada por 2 mm por encima de la antena 4G, el patrón es similar a cuando la antena 4G se retira de la geometría. Se encuentran patrones similares cuando las cimas de las antenas 4G y 5G están alineadas. Cuando las antenas 5G están desplazadas 2 mm por debajo de la antena 4G, el patrón 5G se ve significativamente afectado.

Figura 10: las parcelas del patrón de ganancia en el plano YZ de la matriz 5G con desplazamiento de fase cero entre los elementos muestran resultados similares para el desplazamiento de 2mm anterior al caso de la antena 4G eliminada. Hay cierto impacto en el patrón de matriz 5G cuando las cimas de las antenas están alineadas y un mayor impacto cuando las antenas 5G se desplazan 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 array de antenas 5G.

A continuación, la matriz de antena 5G es alimentada por una fuente sinusoidal de 28 GHz con igual amplitud y un desplazamiento de fase variable a través de los elementos para la configuración donde la matriz 5G se coloca 2 mm por encima de la antena 4G.  Con la matriz alimentada con todos los elementos en fase, el patrón producido tiene una ganancia máxima de aproximadamente 12,5 dBi con un ancho de haz de 3 dB de 17 grados y un nivel de lóbulo lateral máximo por debajo de 0 dBi (Figura 12).  Después de aplicar un desplazamiento de fase de 120 grados entre cada elemento de la matriz 5G, la viga se escanea 24,5 grados a un lado como se muestra en la figura 13.  La aplicación de cambios de fase de-180,-120,-60, 0, 60 y 120 grados a los feeds produce una serie de haces de la matriz, que se muestra en la figura 14, donde todas las vigas se trazan al mismo tiempo.

Figura 12: el patrón de ganancia de la matriz 5G con desplazamiento de fase cero entre los elementos muestra una viga con una ganancia máxima de 12,5 dBi y un ancho de haz de 17 grados en el plano XY.

Figura 13: el patrón de ganancia de la matriz 5G con un desplazamiento de fase de 120 grados entre los elementos muestra una viga inclinada 24,5 grados en el plano XY.

Figura 14: se muestran seis posibles haces de la matriz 5G en los patrones de ganancia 3D y 2D para los casos de un desplazamiento de fase entre los elementos de 180, 120, 60, 0,-60 y-120 grados.

Resumen

Un dispositivo smartphone simplificado con una antena 4G combinada con una matriz 5G a 28 GHz se evalúa para diferentes configuraciones de la matriz 5G en relación con la antena 4G.  Una configuración del mejor-caso con el desplazamiento de la antena 5G 2 milímetros verticalmente con respecto a la antena 4G fue encontrada con los resultados que indican que no hay casi ninguna interacción entre los elementos 4G y 5G.

Referencia:

[1] T. Yamagajo, Y. Koga, M. Kai, T. Tonooka, H. sumi y M. Hoshino, "una solución de antena Nobel 4G y 5G para futuros smartphones", antenas IEEE y sociedad de propagación int., págs. 1785-1786, 2018.