Simulación del rendimiento de la matriz de antenas MIMO con diferentes posiciones de mano

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Un diseño propuesto para un 12-Port  5G Massive MIMO terminal móvil se presentó para operar en el rango de sub-6 GHz, específicamente la banda LTE 42 (3400-3600 MHz), la banda 43 (3600-3800 MHz) y la banda 46 (5150-5925 MHz) [1].  Este dispositivo demostró tener un buen rendimiento para la operación MIMO 8x8 en las bandas 42/43 y 6x6 MIMO operación en la banda 46 mediante el uso de varios diseños de antena diferentes espaciados alrededor de los bordes de un teléfono móvil PCB.  Aquí el rendimiento de la antena se simula en XFdtd primero con el auricular solo y luego en varias configuraciones de una o dos agarrando la mano.  Los criterios de rendimiento evaluados son la pérdida de retorno, el aislamiento entre antenas, la eficiencia, la ganancia y el coeficiente de correlación de sobres (ECC), que es un indicador del rendimiento de diversidad de los pares de antenas.

Diseño de antena

Figura 1: se muestra una vista CAD del dispositivo en la interfaz del software XFdtd donde la pantalla y todas las antenas se encuentran en el plano XY. Los elementos de la antena se numeran del 1 al 12 alrededor del borde del dispositivo.

El dispositivo se muestra en la figura 1, donde los 12 elementos de la antena son visibles y etiquetados alrededor de los bordes de la PCB.  En la parte superior e inferior izquierda se encuentran las antenas en forma de PI invertidas de doble banda que operan en todas las bandas que se están considerando.  Estas antenas se marcan a veces como IA en las figuras que siguen y se numeran como las antenas 1 y 2.  A lo largo de ambos lados de la antena hay seis antenas de ranura abierta en forma de L invertidas más largas (LA) para las bandas inferiores (LTE 42/43) y cuatro antenas de ranura abierta en forma de L invertidas más cortas (SA) para la banda LTE 46.  Las antenas alternan entre LA y SA por los lados con tres LA y dos antenas SA por lado.  La numeración de las antenas es de 3 a 7 a la derecha (los números 3, 5, y 7 son los Ángeles) y 8 a 12 a la izquierda (con 8, 10, y 12 siendo los Ángeles).  Las antenas de doble banda están diseñadas con un brazo más largo y más corto para las bandas de frecuencias más bajas y más altas.  En la figura 2, la antena 1 se muestra con corrientes de conducción que fluyen a 3,6 GHz en el brazo más largo y a 5,5 GHz en el brazo más corto.  En la figura 3 se muestran dos elementos de las antenas LA y SA para fines de comparación. 

Figura 2: a la izquierda de la figura se muestran las corrientes de conducción calculadas por XFdtd en la porción más larga del elemento de antena 1 a 3,6 GHz en el rango de la banda LTE 42/43. A la derecha están las corrientes de conducción en el brazo más corto del elemento de la antena 1 a 5,5 GHz en el rango de la banda LTE 46.

Figura 3: en la parte superior de esta vista de la interfaz XFdtd es una de las antenas de ranura abierta de brazo más largo (LA) para el funcionamiento de 3,6 GHz en el borde del dispositivo. En la parte inferior hay una antena de ranura abierta de brazo (SA) más corta para uso de 5,5 GHz.

Simulación en el espacio libre

Como una medida de rendimiento, los parámetros S de varias antenas se considerarán para mostrar la pérdida de retorno y el aislamiento de las antenas.  En el cuadro 4, la pérdida de retorno para las antenas 1 y 2 (las antenas de IA superior e inferior) se muestra junto con el S21 entre ellos.  Como se puede ver, las antenas tienen buenos valores de pérdida de retorno en las bandas LTE 42/43 inferiores y la banda LTE 46 más alta.  S21 sigue siendo baja sobre ambas bandas, que se espera ya que las antenas están en extremos de la PCB.  La pérdida de retorno de todas las antenas de la en las bandas LTE 42/43 se muestra en la figura 5.  La figura 6 muestra la pérdida de retorno de las antenas SA en la banda 46 junto con el aislamiento entre las antenas de SA adyacentes y entre las antenas SA y IA adyacentes.  El aislamiento entre las antenas adyacentes de la (y entre las antenas adyacentes de LA y IA) para las bandas de frecuencias más bajas se muestra en la figura 7.  En todos los casos los resultados están dentro de las tolerancias de diseño de la pérdida de retorno bajo-6 dB (3:1 VSWR) y el aislamiento-11 dB o mejor.

Figura 4: los parámetros S para las antenas 1 y 2 se muestran sobre todas las bandas de funcionamiento del dispositivo. Hay dos regiones operativas distintas: alrededor de 3,6 GHz y alrededor de 5,5 GHz. Para ambos, la pérdida de retorno está muy por debajo de los niveles requeridos, mientras que el aislamiento determinado por S21 está por debajo de-18 dB.

Figura 5: la pérdida de retorno para todas las antenas en la banda inferior (LTE 42/43) se muestran y tienen muy buenos resultados.

Figura 6: la pérdida de retorno y el aislamiento de los elementos selectos se muestran para la banda superior (LTE 46) con buenos resultados.

Figura 7: se muestra el aislamiento entre elementos selectos en las bandas LTE 42/43.

El rendimiento de la antena se determina mediante la visualización de la eficiencia y la ganancia de los diversos elementos sobre sus bandas de operación.  En la figura 8 se muestra la eficiencia de las antenas LTE Band 42/43 y es razonable para las antenas de IA (1 y 2) y moderadas para las antenas de la (3, 5, 7, 8, 10 y 12).  En la banda LTE 46, el rendimiento de la antena es mejor, con eficiencias superiores al 50% como se muestra en la figura 9.  La ganancia se traza en el plano XY (el plano de la pantalla del dispositivo) para varias combinaciones de antenas.  En cada caso, los patrones de ganancia de la antena están diseñados para irradiar lejos del centro del dispositivo.  En el cuadro 10, la ganancia para las antenas IA en las bandas LTE 42/43 se muestra y puede ser visto para tener una ganancia máxima en un ángulo de 45 grados de la antena que está hacia la esquina de la pantalla del dispositivo.  En la figura 11, se muestra la ganancia para las antenas de la en la banda LTE 42/43 en el lado derecho del teléfono y, en cada caso, la ganancia máxima es a lo largo del eje X, lejos del centro de la pantalla.  En el cuadro 12, la ganancia para las antenas SA en el lado derecho del teléfono en la banda LTE 46 se muestra con características similares.

Figura 8: se muestran las eficiencias de las antenas en la banda LTE 42/43. Las dos antenas de IA en los extremos del teléfono (1 y 2) muestran una mayor eficiencia sobre 60% mientras que las antenas de los lados del teléfono tienen menor eficiencia entre 35 y 50%.

Figura 10: los patrones de ganancia en el plano XY para las dos antenas de IA muestran las ganancias máximas hacia las esquinas respectivas del dispositivo.

Figura 9: las eficiencias para todas las antenas en la banda LTE 46 superior son superiores a 50% y muestran un buen rendimiento.

 

Figura 11: las antenas de los Ángeles tienen una ganancia máxima hacia el borde exterior del dispositivo. En este caso, las antenas en el lado derecho del dispositivo se muestran con la ganancia máxima en la dirección + X.

 

Figura 12: las antenas de SA tienen una ganancia máxima hacia el borde exterior del dispositivo similar a las antenas de la. Aquí las antenas 4 y 6 se muestran con la ganancia máxima en la dirección + X.

 

Para evaluar el rendimiento de diversidad de los pares de antenas, una medida importante más allá del aislamiento es el coeficiente de corrección de envolvente (ECC).  Esta medida es útil para determinar qué tan bien funcionará un dispositivo para aplicaciones de diversidad y multiplexación donde es importante que las antenas individuales funcionen independientemente de otras.  El criterio básico para ECC es un valor inferior a 0,5.  El ECC para varios pares de antenas en la banda LTE 42/43 y la banda LTE 46 se comparan en las figuras 13 y 14, respectivamente.  Todas las parcelas están muy por debajo del límite de 0,5 con la correlación máxima entre las antenas 8 y 10 en la banda LTE 42/43 en aproximadamente 0,15.

Figura 13: el coeficiente de correlación de envolvente (ECC) para las antenas de la banda LTE 42/43 es bastante bueno con un valor máximo de 0,15.

Simulación con manos

Figura 14: el coeficiente de correlación de envolvente (ECC) para las antenas de la banda LTE 46 es muy bueno, sin dos antenas superiores a 0,05.

Para probar aún más el funcionamiento del teléfono en condiciones más realistas, los modelos de mano se introducen en las configuraciones de una sola mano y dos manos, como se muestra en la figura 15.  Las posiciones son para las suspensiones de mano izquierda y derecha, dos manos en el modo lateral y dos manos con configuración de mecanografía.  Dependiendo de la posición de la mano, ciertas antenas estarán cubiertas y el rendimiento se verá afectado.  Sin embargo, puesto que hay antenas múltiples en ambos lados del dispositivo, en la mayoría de las situaciones hay todavía varias antenas disponibles con el buen funcionamiento.

Figura 15: se muestran las cuatro posiciones de la Mano poseable modelo utilizado en el estudio, que se posicionó mediante controles dentro de XFdtd. en sentido horario desde la parte superior izquierda: Sostenga la mano izquierda, dos manos a los lados, dos manos escribiendo y la mano derecha.

El rendimiento del parámetro S sigue siendo bueno para todas las posiciones de la mano, aunque en algunos casos la pérdida de retorno se ve significativamente afectada.  Por ejemplo, en la figura 16, la pérdida de retorno para las antenas de la banda LTE 42/43 se muestra para las posiciones de retención izquierda y derecha y hay diferencia notable frente a la pérdida de retorno del teléfono solo que se muestra en la figura 5.  Del mismo modo, las antenas de SA que operan en la banda LTE 46 también se cambian por las posiciones de retención de mano izquierda y derecha como se muestra en la figura 17.  Para las dos posiciones de retención de mano, hay menos interrupciones en los parámetros S para las mismas antenas ya que las manos no cubren directamente las antenas, como se muestra en las figuras 18 y 19.

Figura 16: con las manos izquierda y derecha sosteniendo el teléfono, los resultados de la pérdida de retorno para las antenas de la banda LTE 42/43 se cambian, pero todavía lo suficientemente bueno.

Figura 17: con las manos izquierda y derecha sosteniendo el teléfono, la pérdida de retorno y el aislamiento siguen siendo aceptables para las antenas de la banda LTE 46.

Figura 18: en las configuraciones de dos manos, la pérdida de retorno en la banda LTE 42/43 sólo se cambia ligeramente y sigue siendo aceptable.

Figura 19: en la banda LTE más alta 46, las dos configuraciones de mano tienen sólo leves impactos en la pérdida de retorno y el aislamiento.

Como se puede esperar, la eficiencia se ve muy afectada por la presencia de las manos.  Los patrones se interrumpen y la energía se pierde en el tejido de la mano resultando en peor rendimiento.  Un ejemplo extremo se muestra en la figura 20 para el caso de las dos manos en los lados en las bandas LTE 42/43 donde la eficiencia máxima es sólo alrededor de 35%.  Otros casos estudiados tuvieron un mejor rendimiento.  

 

Figura 20: la eficiencia se ve muy afectada por las manos en el teléfono. Aquí la eficiencia de las bandas LTE 42/43 para las dos manos en el caso de los lados se muestra sin antena por encima del 35% de eficiencia.

 
 

Los patrones de ganancia son comprensiblemente impactados por las posiciones de la mano en el teléfono.  La figura 21 muestra los patrones tridimensionales de las seis antenas LA en las bandas LTE 42/43 en el caso del teléfono solo.  Cuando la mano izquierda está sosteniendo el teléfono, como se muestra en la figura 22, algunos de los patrones, particularmente la antena 10 por el pulgar, se ven muy afectados y muestran mucho menos ganancia.  Para la banda LTE de mayor frecuencia 46 antenas SA en los lados, hay patrones bastante uniformes cuando el dispositivo está solo, como en la Figura 23.  Con las manecillas laterales y el dedo junto a las dos antenas inferiores, como en la Figura 24, los patrones en las antenas inferiores (4 y 6) se reducen en comparación con las antenas superiores (9 y 11).  Para la configuración de la escritura de dos manos y las mismas antenas, las antenas superiores muestran un aumento en la ganancia debido a la presencia de los pulgares en el centro de la pantalla tal y como se muestra en del cuadro 25.  En Resumen, las ganancias máximas para todas las configuraciones se detallan en las tablas 1 y 2.

Figura 21: los patrones de ganancia tridimensional de las seis antenas de la se muestran a 3,6 GHz (bandas LTE 42/43) para el caso del dispositivo solo en el espacio libre. Cada antena está irradiando un patrón con ganancia máxima a los bordes exteriores del dispositivo como se desee.

Figura 22: con la mano izquierda sosteniendo el teléfono en la banda LTE 42/43, los patrones de ganancia se modifican y el patrón central debajo del pulgar (antena 10) se reduce en gran medida en la ganancia.

Figura 23: en la banda LTE 46, los patrones de ganancia tridimensional se muestran con la ganancia máxima hacia el exterior del dispositivo.

Figura 24: en las dos manos en la posición lateral en la banda LTE 46, los patrones de ganancia en la parte inferior del teléfono (antenas 4 y 6) se perturba por la presencia de los dedos y se reducen en comparación con los patrones superiores.

 

Figura 25: en la configuración de escritura de dos manos en la banda LTE 46 los patrones superiores (antenas 9 y 11) se mejoran por el impacto de los pulgares con dar un efecto reflector.

 

Tabla 1: las ganancias máximas para cada antena a 3,6 GHz (bandas LTE 42/43) se muestran para las cinco configuraciones.

 

Tabla 2: las ganancias máximas para cada antena en 5,5 GhHz (banda LTE 46) se muestran para las cinco configuraciones.

 

Como se puede esperar, los resultados de ECC también se ven afectados por la presencia de las manos.  Sin embargo, en todos los casos, el ECC permanece muy por debajo del umbral de 0,5 como se desee.  Los peores resultados de ECC son para las posiciones de retención de mano izquierda y derecha en las antenas de la banda LTE 42/43 donde el ECC puede alcanzar tan alto como 0,4 como se muestra en las figuras 26 y 27.  Todos los casos de la banda LTE 46 permanecen con un ECC por debajo de 0,2.

Figura 26: el peor de los casos ECC se muestra para el caso de retención de mano derecha en las bandas LTE 42/43 donde la correlación entre las antenas 3 y 5 alcanza tan alto como 0,4. Esto todavía está por debajo del umbral de 0,5.

Figura 27: en la posición de retención a mano izquierda en las bandas LTE 42/43, el ECC es el más alto para las antenas 8 y 10 con un nivel máximo alrededor de 0,33.

La antena de 12 puertos se puede ver para ofrecer un rendimiento muy bueno con una variedad de configuraciones de uso.  Mientras que algunas colocaciones de la mano degradan el funcionamiento de las antenas que están cubiertas, hay otras antenas disponibles para mantener la operación.

Referencia:

[1] Yixin Li, Chow-yen-Desmond SIM, Yong Luo y Guangli Yang, "matriz de antenas MIMO masiva de 12 puertos 5G en microteléfono móvil sub-6GHz para las bandas LTE 42/43/46 aplicaciones", IEEE Access Vol. 6, PP. 344-354, 2018.