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Este ejemplo muestra la simulación de un conjunto de antenas para aplicaciones 5G 60 GHz de comunicación inalámbrica para dispositivos portátiles como auriculares de realidad virtual. El diseño de la antena para este ejemplo procede del artículo [1] de Hong y Choi de la Universidad de Hanyang. El conjunto se compone de cuatro elementos, cada uno de los cuales tiene dos parches y un elemento parásito. El elemento parásito ayuda a producir un haz más ancho en una dimensión para dar una mejor cobertura. Los haces pueden orientarse variando el desplazamiento de fase entre los elementos para proporcionar una cobertura casi hemisférica.
El diseño de array propuesto se muestra en la Figura 1, donde el material rojo representa el sustrato (Taconic TLY, permitividad relativa de 2,2 y tangente de pérdida de 0,0009) y el material verde es el Cobre. La capa inferior de la antena es el sustrato con un plano de tierra debajo. Esta capa está rematada por líneas de alimentación de 50 ohmios que luego pasan por una adaptación de impedancia antes de llegar al primer parche, luego una línea de 70 ohmios se conecta al segundo parche. Estos parches están cubiertos por otra capa de sustrato con elementos parásitos perpendiculares a las líneas de 70 ohmios. La segunda capa es visible en la vista tridimensional de la estructura de la figura 2. Los elementos están separados por media longitud de onda y se alimentan mediante puertos de guía de ondas nodales con fase variable.
Figura 1: Vista superior del conjunto de antenas con las capas de sustrato en rojo y las líneas de alimentación metálicas y los elementos parásitos en verde. Los parches se muestran como contornos porque están cubiertos por una segunda capa de sustrato.
Figura 2: El conjunto de antenas se muestra en tres dimensiones con el borde de la capa superior del sustrato más visible sobre los parches. Los cuatro puertos de alimentación de la guía de onda nodal son visibles en la parte superior del conjunto.
Inicialmente, el conjunto de antenas se simula solo para analizar la pérdida de retorno y el patrón de ganancia. Para calcular los parámetros S, cada puerto se simula individualmente con los demás terminados en una carga de 50 ohmios. La pérdida de retorno resultante para cada puerto se muestra en la Figura 3 y la respuesta de cada puerto es bastante similar a la de los demás. Las simulaciones también se realizan sin los elementos parásitos para demostrar el impacto de su inclusión en la pérdida de retorno. Como puede verse en la Figura 3, los elementos parásitos desplazar la resonancia de la antena más alta en frecuencia y reducir la profundidad de la S11 nulo. Cuando la antena se simula con todos los puertos activos y en fase, el patrón de ganancia broadside se calcula como se muestra en la Figura 4. Aquí se puede ver que sin los elementos parásitos, el patrón de ganancia de la antena se reduce. Aquí se puede ver que sin el elemento parásito el patrón tiene nulos profundos alrededor de +/- 40 grados que son indeseables. Al incluir los elementos parásitos, los nulos se reducen y el conjunto produce un haz de abanico ancho. Este haz se muestra mejor en tres dimensiones en la Figura 5, donde puede verse que el patrón es ancho en la dirección vertical y estrecho (anchura del haz de 3 dB de 24 grados) en la dirección horizontal.
Figura 3: La pérdida de retorno de cada elemento del conjunto es bastante similar. La adición del elemento parásito desplaza la respuesta a frecuencias más altas y reduce la profundidad del nulo.
Figura 4: El patrón de ganancia a lo ancho del array es bastante amplio con los elementos parásitos incluidos. Sin los elementos parásitos, el patrón presenta nulos no deseados.
Figura 5: El patrón de ganancia tridimensional para el caso de fase igual muestra un pico de ganancia hacia el lado con un patrón en forma de abanico.
Este sistema permite orientar el haz variando la fase entre los elementos. En la figura 6 se muestra el conjunto con un haz orientado unos 30 grados en horizontal aplicando un desplazamiento de fase de 90 grados entre los elementos. En la figura 7 se muestran siete haces posibles variando el desplazamiento de fase de -90 a 90 en pasos de 30 grados.
Figura 6: Con un desplazamiento de fase de 90 grados entre los elementos de la antena, el haz se desplaza unos 30 grados hacia un lado.
Figura 7: El barrido del desplazamiento de fase de -90 a 90 grados en incrementos de 30 grados genera siete haces que cubren una amplia zona.
A continuación, el conjunto de antenas se monta en un casco de realidad virtual sobre una cabeza fantasma para demostrar una posible aplicación, que se muestra en la figura 8. Debido al gran tamaño de la cabeza a 60 GHz, para esta demostración se simula en realidad una parte del espacio problemático total, que se muestra en la figura 9. En la figura 10 se muestra el haz primario del conjunto (todos los elementos en fase) comparado con el casco y el maniquí. Cuando se aplica un desplazamiento de fase de 90 grados entre los elementos, el haz se desplaza hacia un lado unos 30 grados, como se muestra en la figura 11. La figura 12 muestra ambos haces al mismo tiempo.
La potencia disipada en la superficie del maniquí también es de interés en estas aplicaciones, y puede calcularse mediante XFdtd. En la Figura 13 se muestra la potencia disipada por el conjunto montado en los auriculares en la superficie evaluada del modelo de maniquí.
Figura 8: El conjunto de antenas se muestra montado en un casco de realidad virtual. El casco está fijado a un modelo de cabeza fantasma.
Figura 9: Debido al gran tamaño del espacio del problema, se utiliza una sección del modelo de auricular/cabeza para las simulaciones reales.
Figura 10: Se muestra el diagrama de ganancia calculado para el caso de todos los elementos en fase con una fuerte ganancia de casi 15 dBi y un haz en forma de abanico.
Figura 11: Tras aplicar un desplazamiento de fase de 90 grados entre los elementos, el haz se desplaza unos 30 grados hacia un lado.
Figura 12: En esta imagen se muestran ambos haces con desplazamientos de fase de 0 y 90 grados.
Figura 13: El software calcula y muestra la potencia disipada en la superficie del maniquí de la cabeza por el conjunto radiante.
Referencia:
[1] Y. Hong y J. Choi, "60 GHz Array Antenna for mm-Wave 5G Wearable Applications," 2018 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC/URSI National Radio Science Meeting, pp. 1207-1208, 2018.