Parte del debate para la próxima generación de comunicaciones inalámbricas es la capacidad de dirigir rápidamente los haces de los conjuntos de antenas a frecuencias más altas. En este ejemplo, una antena propuesta [1] se compone de ocho elementos de parche alimentados en serie, cada uno de los cuales contiene ocho parches que están conectados de tal manera que producen un comportamiento tanto de onda estacionaria como de onda viajera. El conjunto produce un único haz que puede barrerse en el eje horizontal del conjunto variando la fase de las señales en las entradas de los elementos.
El conjunto se evalúa en función de parámetros de rendimiento estándar, como los parámetros S y la ganancia, así como la potencia isótropa radiada efectiva (PIRE). La PIRE es la potencia de entrada suministrada a una antena multiplicada por su ganancia. Indica la potencia total que tendría que irradiar una antena isótropa para igualar la intensidad de señal del haz principal de la antena evaluada. Las simulaciones de este artículo se han realizado con el software de simulación EM XFdtd®.
El conjunto final se construye a partir de ocho elementos de parche separados de 1x8 alimentados en serie, como el que se muestra en la Figura 1. Las características de un solo elemento se examinarán primero antes de hablar del conjunto. Cada parche mide 3,539 mm x 3,539 mm y está separado 3,539 mm. El último parche de la línea tiene una muesca de 0,6269 mm x 2,727 mm en el lado de conexión. Las líneas microstrip que conectan los parches tienen una anchura de 0,494 mm. La línea de alimentación inicial tiene una longitud de 2,215 mm y una anchura de 0,72 mm. La longitud total del elemento es de 55,3 mm. La antena está sobre un sustrato con una constante dieléctrica de 2,2, una tangente de pérdida de 0,0009 y un espesor de 0,254 mm.
Figura 1: Representación CAD de un único elemento de parche 1x8 visto desde arriba.
La geometría se cuadricula en una malla FDTD utilizando la función PrOGrid de XFdtd. Cada elemento de la geometría tiene Puntos Fijos Automáticos habilitados para alinear perfectamente las esquinas de las estructuras con la malla FDTD. El tamaño mínimo de la característica para Good Conductors es la anchura de la línea microstrip entre los parches y se define para tener al menos ocho celdas FDTD a través de ella. El sustrato dieléctrico se define para tener al menos cinco celdas FDTD de espesor utilizando el ajuste de tamaño mínimo de característica para Conductores Pobres. El número total de celdas por longitud de onda se fija en 60 para garantizar unos buenos resultados.
La entrada para el elemento es una fuente de tensión que se excita inicialmente con una señal de banda ancha que abarca de 26 a 30 GHz para obtener los resultados de los parámetros S. Tras una simulación para calcular los parámetros S, se observa que la pérdida de retorno tiene una respuesta débil debido a una mala adaptación. Esto se corrige añadiendo un circuito de adaptación formado por un inductor en serie y un condensador en paralelo (0,22 nH y 0,09 pF). La pérdida de retorno de entrada adaptada produce un nulo cerca de 28 GHz (Figura 2). El patrón de ganancia de campo lejano para el elemento único (Figura 3) indica un fuerte lóbulo central normal a los parches con un pico de ganancia de 16,77 dBi. El pico del lóbulo lateral se observa a unos 13 dBi del lóbulo principal como se muestra en la Figura 4.
Figura 2: La pérdida de retorno del elemento 1x8 está ligeramente desajustada cuando se alimenta con una fuente de 50 ohmios. Añadiendo un sencillo circuito LC de adaptación, el dispositivo se sintoniza a 28 GHz.
Figura 3: El diagrama de ganancia de campo lejano del elemento1x8 tiene un potente haz central focalizado en una dimensión y circular en la otra. La ganancia máxima es ligeramente inferior a 17 dBi.
Figura 4: En la dimensión XZ (plano E) el diagrama de antena tiene un haz principal con una ganancia de 16,77 dBi y un nivel de pico de lóbulo lateral de 3,73 dBi.
Para crear la matriz, ocho de los elementos simples 1x8 se separan 5,352 mm para formar una matriz que mide 55,3 mm x 41 mm, como se muestra en la Figura 5. Para generar datos de parámetros S de banda ancha, se aplica una excitación de impulsos a cada uno de los ocho puertos de entrada. Para generar datos de parámetros S de banda ancha, se aplica un impulso de excitación a cada uno de los ocho puertos de entrada. Se aplica un circuito de adaptación similar al utilizado para el elemento único a todos los puertos de entrada del conjunto. La pérdida de retorno de los ocho puertos es muy similar, como se muestra en la Figura 6, mientras que el aislamiento entre puertos adyacentes es inferior a -15 dB en cada uno de ellos (Figura 7).
Figura 5: Representación CAD de la combinación de ocho elementos 1x8 en un conjunto. Los elementos están separados 5,352 mm entre sí.
Figura 6: La pérdida de retorno de cada puerto se muestra sintonizada para 28 GHz después de la adición de simples circuitos LC de adaptación a cada alimentación.
Figura 7: El aislamiento entre puertos adyacentes es inferior a -15 dB para todas las combinaciones posibles.
Figura 8: El patrón de ganancia del conjunto cuando todas las entradas se alimentan en fase da como resultado un haz central potente con una ganancia de 24 dBi.
Dependiendo de la fase de las señales en cada uno de los puertos de entrada, pueden definirse varios haces diferentes. Cuando todos los puertos se alimentan en fase, se forma el haz normal al plano del array con una ganancia máxima de 24 dBi (Figura 8). Debido a la naturaleza de esta geometría, los haces sólo pueden orientarse en un plano, paralelo a la línea de puertos de entrada. Para ajustar la fase, se utiliza la ecuación de la matriz de Butler para calcular la diferencia de fase entre elementos. Se define como
α i = [(2i - 1) - M]/M * πdonde αi es la diferencia de fase entre elementos, i es el número de haz o número de puerto de entrada de la matriz Butler, y M es el número de puertos. En este caso, el desfase para los haces 1-8 es -157,5 grados, -112,5 grados, -67,5 grados, -22,5 grados, 22,5 grados, 67,5 grados, 112,5 grados y 157,5 grados. El desplazamiento de fase se aplica a través de los puertos de entrada, por lo que el primer puerto tendrá un desplazamiento de 0 grados, el segundo -157,5 grados, el tercero -315 grados, etc. para el caso del haz 1. Estos desplazamientos de fase se aplican con una entrada sinusoidal a 28 GHz. Los haces resultantes en el plano YZ (plano E) se muestran en la figura 9 como una serie de trazados lineales con direcciones de lóbulo principal de +/- 55 grados, +/- 37 grados, +/- 21,5 grados y +/- 7 grados. En tres dimensiones, los haces 1 a 4 pueden verse en las figuras 10 a 13. Los ocho haces se muestran en una sola imagen. Los ocho haces se muestran en una imagen tridimensional en la figura 14.
Figura 9: Tras aplicar desplazamientos de fase de la matriz de Butler a cada puerto, se forma un haz dirigido. Se muestran ocho haces posibles.
Figura 10: El patrón de ganancia formado a partir del enfasado Butler Matrix para el haz nº 1 (-157,5 grados por puerto) tiene un haz amplio con ganancia máxima a 55 grados.
Figura 11: El patrón de ganancia formado a partir del enfasado Butler Matrix para el haz nº 2 (-112,5 grados por puerto) tiene un haz más enfocado con una ganancia máxima a 37 grados. La flecha blanca indica la dirección del pico de ganancia.
Figura 12: El patrón de ganancia formado a partir del enfasado de la matriz Butler para el haz nº 3 (-67,5 grados por puerto) tiene una ganancia máxima a 21,5 grados.
Figura 13: El patrón de ganancia formado a partir del enfasado de la matriz Butler para el haz nº 4 (-22,5 grados por puerto) tiene una ganancia máxima a 7 grados.
Figura 14: Vista lateral de los ocho haces producidos por la ecuación de desfase de la matriz de Butler. Cada haz representa una simulación independiente.
Se ha demostrado que este conjunto forma ocho haces con el desfase de la matriz Butler; sin embargo, es posible realizar un análisis más detallado de la ganancia total en todas las combinaciones de desfase posibles calculando la función de distribución acumulativa de la potencia isótropa radiada efectiva. Este gráfico muestra el área fraccional de la esfera tridimensional de campo lejano que cubre el conjunto para una cantidad dada de potencia de entrada. Para este array, el gráfico de la CDF de la PIRE (Figura 15) muestra que para una potencia de entrada de 23 dBmW, el array tiene una ganancia positiva en aproximadamente el 27,4% de la esfera de la zona lejana. Esto representa el área de barrido donde los haces tienen ganancia positiva, que está limitada por el plano de tierra bajo el conjunto que bloquea el 50% del volumen de radiación. El hemisferio superior de la región de la zona lejana es explorado por los haces en un solo eje debido al diseño del conjunto, por lo que la región explorada es relativamente limitada. El gráfico también muestra que la PIRE máxima es de unos 46,4 dBmW.
Figura 15: El gráfico de la función de distribución acumulativa de la PIRE muestra que para 23 dBmW de potencia de entrada, aproximadamente (1 - .726) o el 27,4% de la esfera de campo lejano tridimensional tendrá ganancia positiva.
Figura 16: En el software RLD de Remcom se muestra un dispositivo Rotman Lens adecuado para su uso como extremo frontal del conjunto.
Como alternativa al uso de las ecuaciones de la matriz de Butler y el ajuste de las fases en el software, también es posible utilizar un verdadero dispositivo de retardo de tiempo como una lente Rotman en la simulación para formar los haces con este conjunto. Utilizando el Rotman Lens Designer® (RLD) de Remcom, se diseñó una lente adecuada (mostrada en la Figura 16 del software RLD) para cumplir los criterios del array. Tras exportar el archivo CAD de la lente desde RLD e importarlo a XFdtd, se realiza una geometría completa con ocho puertos de entrada y cuatro puertos ficticios laterales (Figura 17). En las simulaciones, los haces se crean alimentando un solo puerto a la vez en lugar de ajustar el desfase en cada puerto. Tras ocho simulaciones, cada una de ellas con un puerto diferente activo, los ocho haces formados por el conjunto son visibles en la Figura 18. La cobertura es similar a la de la simulación Butler. La cobertura es similar a la de la matriz Butler mostrada en la figura 14.
Figura 17: La geometría resultante del array con la etapa de formación de haz Rotman Lens se muestra como un archivo CAD tridimensional en XFdtd.
Figura 18: Se muestran los ocho posibles patrones de haces del conjunto generados al activar uno de los puertos de la lente Rotman a la vez.
Referencia:
[1] M. K. Ishfaq, T. A. Rahman, Y. Yamada, y K. Sakakibara, "8x8 Phased Series Fed Patch Antenna Array at 28 GHz for 5G Mobile Base Station Antennas," 2017 IEEE-APS Topical Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications (APWC), pp. 160-162, 2017.