Introducción
Este ejemplo describe un conjunto de antenas de 28 GHz más desarrollado capaz de formar múltiples haces para su uso en aplicaciones como estaciones base de redes 5G. El sistema consta de tres partes: un formador de haces de lente Rotman con siete puertos de entrada y ocho puertos de salida, una serie de divisores de potencia Wilkinson estriados para dividir cada salida Rotman en ocho señales iguales, y un conjunto de antenas de parche de 8x8. El sistema creará siete haces focalizados con una anchura de haz de 3dB de aproximadamente 14,5 grados y una ganancia superior a 17 dBi que cubren un área de +/- 30 grados.
El proceso de diseño consta de tres etapas separadas: la creación del formador de haz de la lente Rotman, el diseño del divisor de potencia Wilkinson de 1 a 8 y el conjunto de antenas de parche de 8x8. La lente Rotman se diseña como un dispositivo microstrip utilizando el software Rotman Lens Designer® (RLD) de Remcom. El divisor de potencia y el conjunto de parches se diseñan en XFdtd®.
Este ejemplo describirá la creación de cada etapa del dispositivo y evaluará el rendimiento de las etapas individuales y del dispositivo completo.
Diseño de dispositivos
Se desea que el formador de haz de lente Rotman funcione a 28 GHz y sea capaz de escanear siete haces +/- 30 grados a través de ocho puertos de matriz. Se ha elegido un diseño de microstrip de 50 ohmios con forma de contorno circular y una anchura total ligeramente inferior a 5 longitudes de onda. Las paredes laterales son curvas e incluyen cuatro puertos ficticios por lado para absorber los campos reflejados. Para el sustrato se elige un dieléctrico adecuado con una permitividad relativa de 2,94 y un grosor de 0,254 mm. El diseño básico se muestra en la Figura 1, donde se muestra el software RLD utilizado para crear la lente. Los puertos del haz (entrada) están a la izquierda de la imagen en gris, mientras que los puertos del conjunto (salida) están a la derecha en rojo. Los puertos de salida situados en los extremos de las líneas de transmisión están separados por media longitud de onda. Las longitudes de las líneas de transmisión varían en función de las ecuaciones de la lente de Rotman. La lente de Rotman se utiliza generalmente con uno o más puertos de haz activos para producir un desplazamiento de fase lineal a través de los puertos del conjunto debido al retardo en la propagación de la señal para alcanzar la salida. Estos dispositivos suelen denominarse sistemas de "verdadero retardo temporal" y no se basan en desplazadores de fase para dirigir los haces.
Una vez ajustada la forma de la lente, los siete haces de salida, uno por puerto de entrada, se representan en la figura 2 para verificar la posición de los haces y los niveles de los lóbulos laterales. Los haces están presentes a +/-30, +/-20, +/-10 y 0 grados de ángulo de barrido. Se pretende obtener una distribución uniforme de la apertura de los puertos del array.
Figura 1: El diseño inicial de la lente Rotman se muestra en el software RLD. Los siete puertos de haz están a la izquierda y los ocho puertos de matriz a la derecha.
Figura 2: El Factor de Arreglo, una medida del patrón de radiación esperado producido por un puerto de haz debido a la fase a través de los puertos del arreglo, se muestra para los siete haces de la lente Rotman diseñada en RLD.
Simulación de dispositivos
El diseño de la lente Rotman de RLD se exportó a un archivo CAD en formato SAT para su uso en XFdtd. Tras la importación a XFdtd, se desarrolló la geometría resultante de la Figura 3, en la que todos los puertos están terminados con una carga de 50 ohmios. La pérdida de retorno para cada puerto del haz se calculó como se muestra en la Figura 4, donde se encuentran valores aceptables por debajo de -10 dB a 28 GHz. A través de un script en XFdtd, las tensiones complejas de salida a través de las líneas de transmisión conectadas a los puertos del array se utilizan para calcular el patrón del haz para cada puerto de entrada, que se muestran en la Figura 5. Como se puede ver, estas tensiones son bastante altas. Como puede verse, son bastante similares a los haces del diseño RLD original.
Figura 3: El diseño de la lente Rotman se muestra en XFdtd tras la importación de un archivo CAD generado por el programa informático RLD. La lente está realizada en microstrip sobre un sustrato de 0,254 mm con permitividad de 2,94.
Figura 4: La pérdida de retorno de cada puerto de haz de la lente Rotman se representa en un rango de frecuencias en torno a 28 GHz.
Figura 5: Esta figura muestra el Factor de Arreglo para la lente Rotman simulado por XFdtd. El voltaje complejo en el extremo terminal de cada línea de transmisión conectada a los puertos del array se utilizó para producir el Factor de Array para cada puerto de entrada, y puede verse que estos patrones de haz son muy similares a los de RLD mostrados en la Figura 2.
El análisis de los datos de los parámetros S en los puertos del sistema muestra que la magnitud presenta variaciones de -11 a -15 dB, ligeramente superiores a la distribución uniforme deseada (figura 6). Las variaciones de fase a través de los puertos del array muestran variaciones casi lineales, como se deseaba, para cada uno de los siete haces (Figura 7). En la figura 7 se ha ajustado la fase para poner fase cero en el puerto 4 del sistema, a efectos comparativos. La variación de fase resultante de la lente Rotman entre los puertos del sistema es de +/-90, +/-60, +/-30 y 0 grados para los siete haces.
Figura 6: En el diseño se deseaba una distribución uniforme en los puertos de la lente Rotman. En la simulación XFdtd se aprecia cierta variación en la distribución real.
Figura 7: La variación de fase a través de los puertos del array se representa gráficamente para cada puerto del haz de entrada. La fase esperada para el sistema diseñado debería ser lineal con una pendiente que oscile entre +90 grados entre los puertos de salida y entre 0 grados y -90 grados dependiendo de qué puerto de entrada esté activo. En este caso, las variaciones de fase son casi lineales con pendientes cercanas a los valores deseados.
El divisor de potencia Wilkinson estriado se diseña utilizando el mismo dieléctrico (épsilon = 2,94) que para la lente Rotman. El grosor del sustrato stripline es de 0,508 mm y las trazas son de 50 ohmios. El diseño divide una entrada en ocho salidas iguales y en fase en tres etapas. La salida de cada puerto del Wilkinson se conecta mediante un cable coaxial corto a la entrada de una antena de parche. El conjunto de antenas de parche consta de ocho subconjuntos de 1x8 en los que cada subconjunto está conectado a un Wilkinson. El conjunto de parches tiene un sustrato del mismo dieléctrico con 0,254 mm de espesor. Los parches están espaciados a media longitud de onda (a 28 GHz) y están sintonizados para obtener el mejor rendimiento con un tamaño de parche ligeramente superior a un cuarto de longitud de onda y una alimentación desplazada 0,9 mm desde el centro del parche. Las partes combinadas del Wilkinson-Array se muestran en las Figuras 8 y 9.
Figura 8: En la figura se muestra la representación CAD tridimensional del conjunto de antenas de parche 8x8 y los ocho divisores de potencia Wilkinson que se unen a las antenas. Aquí la lente Rotman ha sido sustituida por ocho puertos de guía de ondas de entrada en la primera etapa de los divisores de potencia Wilkinson.
Figura 9: Vista lateral del divisor de potencia Wilkinson que muestra claramente las tres etapas de división de la señal.
La parte combinada Wilkinson-Array se simuló con puertos de guía de ondas añadidos a cada una de las ocho entradas Wilkinson. En la Figura 10 se muestran las pérdidas de retorno resultantes para cada subarray y se aprecia un buen rendimiento a 28 GHz. Los puertos se alimentan con desplazamientos de fase que varían de +90 grados entre elementos (haz 1) a -90 grados entre elementos (haz 7) en incrementos de 30 grados para producir siete haces distintos. En la figura 11 se muestran los patrones de los haces (representados como ganancia en lugar de como factor de matriz). En la Figura 11 hay una ligera variación en la ganancia máxima, pero las ubicaciones de los haces están bien distribuidos en los ángulos deseados que son una coincidencia cercana al diseño original RLD. Las figuras 12 y 13 muestran los haces en tres dimensiones junto a la estructura geométrica. Las grandes flechas blancas indican la dirección de la ganancia máxima.
Figura 10: La pérdida de retorno de cada uno de los ocho puertos conectados a los divisores de potencia Wilkinson muestra un buen rendimiento a 28 GHz. Sólo hay una ligera variación entre los diferentes subarreglos 1x8 conectados a cada divisor de potencia.
Figura 11: Los diagramas de haz para el conjunto combinado de Wilkinson y antena se representan como ganancia (en lugar de Factor de Conjunto) para el dispositivo de la Figura 8. Aquí las relaciones de fase que se producirían por la lente Rotman han sido sustituidas por desplazamientos de fase a través de los puertos de entrada conectados a los divisores de potencia Wilkinson. Se puede ver que los haces están en la posición angular correcta con una ganancia casi igual.
Figura 12: Esta figura muestra los siete haces como un patrón tridimensional en lugar de un trazado lineal como en la figura 11. Las flechas blancas grandes representan la dirección de la ganancia máxima de cada haz. Las grandes flechas blancas indican la dirección del pico de ganancia de cada haz.
Figura 13: Esta es una vista alternativa de los patrones tridimensionales de los siete haces generados por el conjunto.
El paso final del diseño es combinar el formador de haz de lente Rotman con el divisor de potencia/conjunto de antenas. Esta estructura se muestra como un modelo CAD tridimensional en las Figuras 14, 15 y 16. En este caso, se utilizan puertos de guía de ondas adaptados a 50 ohmios en todas las conexiones abiertas, incluidos los siete haces. Aquí, los puertos de guía de ondas adaptados a 50 ohmios se utilizan en todas las conexiones abiertas, incluyendo los siete puertos de haz y ocho puertos ficticios para la reducción de la reflexión en la lente.
Figura 14: Aquí se muestra el sistema completo de la entrada de la lente Rotman, la etapa divisora de potencia Wilkinson y el conjunto de antenas de parche 8x8 como un modelo CAD tridimensional.
Figura 15: Esta es una vista lateral de todo el sistema donde el divisor de potencia Wilkinson de tres etapas es más claramente visible.
Figura 16: Esta es una vista superior de todo el sistema donde la lente Rotman y las líneas de transmisión del conjunto son más claramente visibles.
Tras las simulaciones con un pulso de banda ancha a la entrada de cada puerto de haz, en la figura 17 se muestra un gráfico de la pérdida de retorno en función de la frecuencia. La pérdida de retorno de todos los puertos es buena y cercana a -16 dB, con la excepción del puerto central (haz 4), que tiene una pérdida de retorno mayor, quizá debido a la ubicación simétrica y a las reflexiones que no se absorben bien en los puertos ficticios.
Figura 17: Aquí se representa la pérdida de retorno de cada uno de los siete puertos de entrada de la lente Rotman cuando se conecta a todo el sistema de divisores de potencia y antenas. En general, los resultados son buenos, con valores inferiores a -10 dB en todos los puertos, excepto en el haz central (puerto 4), que presenta algunos desajustes debidos probablemente a reflexiones no bien absorbidas por las paredes laterales.
Los patrones de haz a 28 GHz para el dispositivo completo se muestran en la Figura 18 y se puede ver que están correctamente situados en ángulo con variaciones algo mayores en la ganancia de pico en comparación con las simulaciones del conjunto sin la lente Rotman. Esto se debe a las variaciones de fase y magnitud menos que perfectas en los puertos del conjunto de lentes Rotman que alimentan el divisor de potencia Wilkinson. Los resultados son coherentes con los anteriores patrones de haces generados en simulaciones anteriores que se muestran en las Figuras 2, 5 y 11, a pesar de mostrar más variación en las magnitudes de los haces.
Figura 18: Los haces resultantes de todo el sistema se representan como patrones de ganancia y se puede ver que son similares a los otros patrones de haz, con haces espaciados 10 grados entre -30 y 30 grados y casi de la misma magnitud.
Las vistas tridimensionales de los haces ofrecen una imagen más clara del rendimiento del dispositivo, incluida la presencia de lóbulos laterales y sus niveles. En las figuras 19, 20, 21 y 22 se muestran los cuatro primeros haces del dispositivo en relación con la estructura del mismo. Los haces cinco, seis y siete serían similares a tres, dos y uno, respectivamente. En la figura 23, los siete haces se muestran en tres dimensiones para mostrar toda la cobertura del dispositivo. La figura 24 muestra los mismos siete haces desde una dirección de visión diferente situada por encima del dispositivo a lo largo del eje Y.
Figura 19: En esta figura se muestra una vista tridimensional del patrón del haz procedente del puerto de entrada 1 de la lente Rotman generado por todo el sistema.
Figura 20: En esta figura se muestra una vista tridimensional del patrón del haz procedente del puerto de entrada 2 de la lente Rotman generado por todo el sistema.
Figura 21: En esta figura se muestra una vista tridimensional del patrón del haz procedente del puerto de entrada 3 de la lente Rotman generado por todo el sistema.
Figura 22: En esta figura se muestra una vista tridimensional del patrón del haz procedente del puerto de entrada 4 de la lente Rotman generado por todo el sistema.
Figura 23: Esta figura muestra los siete haces de todo el sistema como patrones de ganancia tridimensionales.
Figura 24: Los siete haces generados por cada puerto de entrada de la lente Rotman se muestran en tres dimensiones desde una vista superior.
La visualización de la propagación de las corrientes de conducción en el dispositivo es una herramienta útil para asegurarse de que todas las conexiones entre etapas son buenas (sin partes desconectadas) y de que la velocidad de propagación a las matrices es la misma. Es importante que las líneas de transmisión desde la lente de Rotman hasta los divisores de potencia tengan las longitudes correctas para mantener la relación de fase del frente de onda. En la Figura 25, la corriente se ve propagándose desde el puerto del haz central a través de la lente. En la Figura 26 la corriente acaba de alcanzar la salida de los puertos del array y está entrando en las líneas de transmisión. La Figura 27 muestra la corriente atravesando completamente las líneas de transmisión y entrando en los divisores de potencia. En la Figura 28, la visualización de la geometría se desactiva para visualizar mejor las corrientes a medida que se propagan a través de la primera etapa del divisor de potencia y todavía están en buena relación de fase. Por último, en la Figura 29 las corrientes acaban de llegar a los alimentadores de las antenas de parche y siguen en fase entre sí.
Figura 25: Esta figura muestra la propagación de las corrientes de conducción desde el puerto del haz 4 hacia la lente Rotman.
Figura 26: En esta figura, la propagación de las corrientes de conducción desde el puerto del haz 4 de la lente Rotman acaba de alcanzar los puertos del conjunto de la lente.
Figura 27: La propagación de las corrientes de conducción ha alcanzado los extremos de las líneas de transmisión del conjunto y está entrando en los elementos divisores de potencia Wilkinson. Todas las corrientes parecen estar en fase, ya que llegan al mismo lugar y al mismo tiempo.
Figura 28: Aquí se ha desactivado la visualización de la geometría y sólo se muestran las corrientes de conducción en las superficies metálicas. Los campos empiezan a dividirse en la primera etapa del divisor de potencia Wilkinson.
Figura 29: Las corrientes se han propagado finalmente por toda la estructura y han alcanzado los puertos de entrada de las antenas.
Resumen
Este ejemplo muestra un proceso para generar y analizar un conjunto orientable de 28 GHz para aplicaciones 5G. En este caso, los requisitos eran una cobertura de haz de -30 a 30 grados en siete haces, lo que se consiguió utilizando un formador de haz de lente Rotman, ocho divisores de potencia Wilkinson de 1 a 8 y un conjunto de antenas de parche de 8x8.
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