Patrón de ganancia en campo lejano en 3D a 60,48 GHz calculado mediante XFdtd, que muestra el lóbulo lateral de una matriz acoplada por apertura de 1x4.
Introducción
El diseño de una matriz en fase de alta ganancia para la banda WiGig de 60 GHz requiere capturar con precisión todo el comportamiento electromagnético de una estructura multicapa acoplada por aberturas, incluyendo el acoplamiento de parámetros S entre elementos, los patrones de radiación en campo lejano y la cobertura de EIRP con haz dirigido. El solucionador FDTD de onda completa de XFdtd, combinado con sus capacidades de posprocesamiento de superposición y optimización de matrices, aborda cada etapa de este flujo de trabajo de manera eficiente.
Este ejemplo modela una antena de parche acoplada por apertura de doble matriz y 8 elementos (2×4) que opera en la banda del canal 2 de WiGig centrada en 60,48 GHz (rango de frecuencia de interés: 55–65 GHz). Dos matrices 1×4 orientadas ortogonalmente están montadas en una estructura de bastidor en L compartida. La simulación caracteriza los patrones de los elementos individuales, el acoplamiento mutuo (parámetros S), los estados de formación de haces superpuestos y la EIRP con orientación de haz, culminando en una CDF de la EIRP para cada matriz y un gráfico compuesto de retención máxima que muestra la cobertura espacial total.
Simulación FDTD de onda completa de una estructura multicapa de ondas milimétricas
La antena utiliza una estructura dieléctrica de tres capas con parches radiantes de cobre y una red de alimentación de línea de banda, tal y como se muestra en la figura 1. XFdtd importa la geometría CAD completa desde un archivo .stp y se asignan materiales definidos por el usuario a cada pieza.
Cada uno de los ocho puntos de alimentación se excita mediante una interfaz de guía de ondas modal, tal y como se muestra en la figura 2 para los parches de la matriz superior. Se realizan simulaciones con XFdtd para cada uno de los ocho puertos (uno activo a la vez) con el fin de calcular la matriz completa de parámetros S. Los datos de los parámetros S para el puerto 1 se muestran en la Figura 3, mientras que los patrones de ganancia tridimensionales para cada parche individual se muestran en la Figura 4. Estos datos de simulación proporcionan los datos completos de acoplamiento entre elementos necesarios para el posprocesamiento de superposición y optimización de la matriz.
Figura 3: Resultados completos de los parámetros S para uno de los parches extremos de la matriz superior (+Z) de 1x4. La pérdida de retorno (S11) a 60 GHz es de aproximadamente -18 dB, mientras que el acoplamiento entre todos los demás parches es inferior a -20 dB.
Figura 4: La simulación XFdtd simula cada parche por separado y genera un patrón de ganancia para ese parche, que posteriormente es utilizado, junto con los datos de los parámetros S, por la herramienta de superposición.
Simulación de superposición: formación de haces por matriz
La simulación de superposición de XFdtd combina resultados FDTD en régimen estacionario utilizando pesos de magnitud y fase especificados por puerto, sin necesidad de volver a ejecutar el solucionador FDTD. Para esta estructura, se definen dos superposiciones —una para cada matriz de cuatro elementos— con una potencia disponible de 23 dBmW por puerto en cada una. Las definiciones para una superposición de cada parche con una fase de 0 grados se muestran en la Figura 5 y el patrón resultante generado se muestra en la Figura 6. Las ponderaciones de fase son ajustables en el editor de definiciones de superposición y pueden barrerse a través de una variedad de ajustes. Este flujo de trabajo de ajuste de fase permite a los ingenieros evaluar rápidamente los estados de formación de haces en el posprocesamiento sin tiempo adicional de resolución.
Figura 5: Se muestra el menú «Superposition Simulation» para un cálculo que incluye los cuatro parches de la superficie +Z de la estructura a 60,48 GHz, con una potencia disponible de 23 dBmW para cada parche y una fase constante.
Figura 6: Al alimentar cada panel de la matriz +Z con una fase constante, se genera un patrón de radiación lateral con una ganancia máxima de 12,4 dBi.
Optimización de matrices: síntesis de haces con EIRP máximo
La función de optimización de conjuntos de XFdtd aplica el principio de superposición para determinar los pesos de excitación por elemento —magnitud y fase— que maximizan la EIRP en una dirección especificada. A diferencia de una superposición manual, la optimización calcula el estado de excitación necesario para generar un haz objetivo, en lugar de exigir al usuario que lo especifique.
En la figura 7, la matriz 1 está optimizada para cinco direcciones de haz que abarcan de −30° a +30° en elevación (Theta, con Phi = 90°), mientras que en la figura 8, la matriz 2 está optimizada en un rango de cortes de acimut (Phi = 150° a 210°, con Theta = 90°). Las dos matrices están configuradas con un desplazamiento de 90° entre sí, lo que permite un análisis combinado de la cobertura espacial.
Análisis de la cobertura del CDF de la EIRP y del valor máximo
Los resultados de la optimización de la matriz se visualizan mediante gráficos de la función de distribución acumulativa (CDF) de la EIRP, que caracterizan qué fracción de direcciones supera un nivel de potencia radiada determinado. Se trata de un parámetro de referencia estándar para la cobertura espacial en el diseño de sistemas WiGig y 5G de onda milimétrica.
XFdtd genera gráficos de CDF por haz para cada dirección de análisis, un patrón de retención máxima que agrega la mejor EIRP alcanzable en todos los haces y una CDF compuesta que combina ambas matrices. La figura 9 muestra los gráficos de CDF para la línea de visión de la matriz 1 (todos los elementos en fase) frente al patrón de retención máxima de la matriz 1 y, a continuación, la retención máxima combinada de las matrices 1 y 2. El gráfico compuesto muestra directamente la ventaja total en cuanto a cobertura espacial que supone el funcionamiento conjunto de ambas matrices, lo que respalda el análisis del presupuesto de EIRP a nivel de sistema y del margen de enlace.
Figura 9: El gráfico de la función de distribución acumulativa (CDF) de la EIRP muestra el rendimiento del conjunto de antenas para una potencia de entrada determinada. Aquí se compara el conjunto +Z, con todos los elementos en fase (A1 Boresight), con el valor máximo registrado (Max Hold) del mismo conjunto, que incluye todas las combinaciones de fase posibles de los elementos de dicho conjunto. La combinación de ambos conjuntos ofrece una cobertura aún mejor, como se muestra en el gráfico A1+A2, que presenta el mejor rendimiento a 23 dBmW.
Conclusión
Las antenas de matriz en fase que operan en la banda WiGig de 60 GHz (IEEE 802.11ad/ay, canales 1-4; frecuencia central del canal 2: 60,48 GHz) se utilizan en enlaces inalámbricos de corto alcance de varios Gbps, entre los que se incluyen la conectividad entre ordenadores portátiles y bases de acoplamiento, estaciones de acoplamiento inalámbricas, cascos de RA/RV y puntos de acceso inalámbricos fijos. Se requieren conjuntos de alta ganancia para superar la elevada pérdida de trayectoria en espacio libre a frecuencias de ondas milimétricas en comparación con las bandas por debajo de los 6 GHz.
Los diseñadores de sistemas deben verificar no solo que cada elemento alcance el patrón de radiación previsto, sino también que la matriz alcance una EIRP adecuada en la zona de cobertura prevista cuando se aplica la formación de haces, incluyendo las direcciones del peor y del mejor caso. El análisis de la distribución de probabilidad acumulativa (CDF) de la EIRP en XFdtd representa directamente esta cobertura.
Para predecir la fidelidad de la formación de haces, es esencial realizar un modelado preciso de la geometría de la antena y la estructura dieléctrica —incluida la tangente de pérdida dependiente de la frecuencia— y obtener un acoplamiento realista de los parámetros S entre los elementos. El enfoque FDTD de onda completa de XFdtd captura ambos aspectos sin recurrir a aproximaciones simplificadas, lo que lo hace adecuado para la validación final del diseño antes de la fabricación del prototipo.
Si necesita más recursos de ayuda, consulte el tutorial adjunto en el sitio web de asistencia técnica de Remcom.
