Se presentó una propuesta de diseño para un terminal móvil 5G MIMO masivo de 12 puertos para operar en el rango sub-6 GHz, concretamente en las bandas LTE 42 (3400-3600 MHz), 43 (3600-3800 MHz) y 46 (5150-5925 MHz) [1]. Este dispositivo demostró tener un buen rendimiento para el funcionamiento MIMO 8x8 en las bandas 42/43 y MIMO 6x6 en la banda 46 utilizando varios diseños de antena diferentes espaciados alrededor de los bordes de la PCB de un teléfono móvil. El rendimiento de la antena se simula en XFdtd primero con el teléfono solo y luego en varias configuraciones de una o dos manos. Los criterios de rendimiento evaluados son la pérdida de retorno, el aislamiento entre antenas, la eficiencia, la ganancia y el coeficiente de correlación envolvente (ECC), que es un indicador del rendimiento de diversidad de los pares de antenas.
El dispositivo se muestra en la Figura 1, donde los 12 elementos de antena son visibles y están etiquetados alrededor de los bordes de la placa de circuito impreso. En la parte superior e inferior izquierda hay antenas de doble banda en forma de PI invertido que funcionan en todas las bandas consideradas. Estas antenas se etiquetan a veces como IA en las figuras que siguen y se numeran como Antenas 1 y 2. A ambos lados de la antena hay seis antenas de ranura abierta en forma de L invertida más largas (LA) para las bandas inferiores (LTE 42/43) y cuatro antenas de ranura abierta en forma de L invertida más cortas (SA) para la banda 46 de LTE. Las antenas alternan entre LA y SA en los laterales, con tres antenas LA y dos SA por lado. La numeración de las antenas es del 3 al 7 a la derecha (los números 3, 5 y 7 son LA) y del 8 al 12 a la izquierda (siendo 8, 10 y 12 LA). Las antenas de doble banda están diseñadas con un brazo más largo y otro más corto para las bandas de frecuencia más baja y más alta. En la figura 2, se muestra la antena 1 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 a efectos comparativos.
Figura 1: Se muestra una vista CAD del dispositivo en la interfaz del software XFdtd, donde la pantalla y todas las antenas se sitúan en el plano XY. Los elementos de antena están numerados del 1 al 12 alrededor del borde del dispositivo.
Figura 2: A la izquierda de la figura se muestran las corrientes de conducción calculadas por XFdtd en la parte más larga del elemento de antena 1 a 3,6 GHz en el rango de banda LTE 42/43. A la derecha se muestran las corrientes de conducción en el brazo más corto del elemento de antena 1 a 5,5 GHz en el rango de banda LTE 46. A la derecha se muestran las corrientes de conducción en el brazo más corto del elemento de antena 1 a 5,5 GHz en el rango de banda LTE 46.
Figura 3: En la parte superior de esta vista de la interfaz XFdtd hay una de las antenas de ranura abierta (LA) de brazo más largo para funcionamiento a 3,6 GHz en el borde del dispositivo. En la parte inferior hay una antena de brazo más corto y ranura abierta (SA) para 5,5 GHz.
Como medida del rendimiento, se considerarán los parámetros S de varias antenas para mostrar la pérdida de retorno y el aislamiento de las antenas. En la Figura 4, se muestra la pérdida de retorno de las antenas 1 y 2 (las antenas IA superior e inferior) junto con el S21 entre ellas. Como puede verse, las antenas tienen buenos valores de pérdida de retorno en las bandas LTE 42/43 inferiores y en la banda LTE 46 superior. S21 se mantiene baja en ambas bandas, lo que es de esperar ya que las antenas están en los extremos de la PCB. La pérdida de retorno de todas las antenas 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 antenas SA adyacentes y entre antenas SA e IA adyacentes. En la figura 7 se muestra el aislamiento entre antenas LA adyacentes (y entre antenas LA e IA adyacentes) para las bandas de frecuencias más bajas. En todos los casos los resultados están dentro de las tolerancias de diseño de pérdida de retorno por debajo de -6 dB (3:1 VSWR) y aislamiento -11 dB o mejor.
Figura 4: Se muestran los parámetros S de las antenas 1 y 2 en todas las bandas de funcionamiento del dispositivo. Hay dos regiones de funcionamiento distintas: en torno a 3,6 GHz y en torno a 5,5 GHz. Para ambas, la pérdida de retorno está muy por debajo de los niveles requeridos, mientras que el aislamiento determinado por S21 se sitúa en torno a -18 dB.
Figura 5: Se muestran las pérdidas de retorno de todas las antenas en la banda inferior (LTE 42/43) y se obtienen muy buenos resultados.
Figura 6: Se muestra la pérdida de retorno y el aislamiento de los elementos seleccionados para la banda más alta (LTE 46) con buenos resultados.
Figura 7: Se muestra el aislamiento entre elementos seleccionados en las bandas LTE 42/43.
El rendimiento de la antena se determina viendo la eficiencia y la ganancia de los distintos elementos en sus bandas de funcionamiento. En la Figura 8 se muestra la eficiencia de las antenas de la banda LTE 42/43, que es razonable para las antenas IA (1 y 2) y moderada para las antenas 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 representa 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 la figura 10, se muestra la ganancia de las antenas IA en las bandas LTE 42/43 y se puede ver que tienen una ganancia máxima en un ángulo de 45 grados desde la antena que está hacia la esquina de la pantalla del dispositivo. En la Figura 11, se muestra la ganancia para las antenas LA en la banda LTE 42/43 en el lado derecho del teléfono y, en cada caso, la ganancia máxima se encuentra a lo largo del eje X, lejos del centro de la pantalla. En la figura 12 se muestra la ganancia de las antenas SA en el lado derecho del teléfono en la banda LTE 46 con características similares.
Figura 8: Se muestran las eficiencias de las antenas en la banda LTE 42/43. Las dos antenas IA situadas en los extremos del teléfono (1 y 2) muestran una eficiencia superior al 60%, mientras que las antenas LA situadas en los laterales del teléfono tienen eficiencias inferiores, entre el 35 y el 50%.
Figura 9: Las eficiencias de todas las antenas en la banda superior LTE 46 son superiores al 50% aproximadamente y muestran un buen rendimiento.
Figura 10: Los patrones de ganancia en el plano XY de las dos antenas IA muestran picos de ganancia hacia las respectivas esquinas del dispositivo.
Figura 11: Las antenas LA tienen el pico de ganancia hacia el borde exterior del dispositivo. En este caso, las antenas del lado derecho del dispositivo se muestran con un pico de ganancia en la dirección +X.
Figura 12: Las antenas SA tienen un pico de ganancia hacia el borde exterior del dispositivo similar al de las antenas LA. Aquí se muestran las antenas 4 y 6 con un pico de ganancia en la dirección +X.
Para evaluar el rendimiento de diversidad de pares de antenas, una medida importante más allá del aislamiento es el coeficiente de corrección de envolvente (ECC). Esta medida es útil para determinar el rendimiento de un dispositivo en aplicaciones de diversidad y multiplexación en las que es importante que cada antena funcione independientemente de las demás. El criterio básico para el ECC es un valor inferior a 0,5. En las figuras 13 y 14 se compara el ECC de varios pares de antenas en las bandas LTE 42/43 y LTE 46, respectivamente. Todos los gráficos están muy por debajo del límite de 0,5, y la correlación máxima se da entre las antenas 8 y 10 en la banda LTE 42/43, con un valor de 0,15 aproximadamente.
Figura 13: El coeficiente de correlación de la envolvente (ECC) para las antenas LTE de banda 42/43 es bastante bueno, con un valor máximo de 0,15.
Para seguir probando el funcionamiento del teléfono en condiciones más realistas, se introducen modelos de mano en configuraciones de una sola mano y de dos manos, como se muestra en la figura 15. Las posiciones corresponden a la sujeción con la mano izquierda y derecha, al modo de dos manos a un lado y a la configuración de dos manos con los pulgares tecleando. Dependiendo de la posición de la mano, algunas antenas quedarán cubiertas y el rendimiento se verá afectado. Sin embargo, como hay varias antenas a ambos lados del dispositivo, en la mayoría de las situaciones sigue habiendo varias antenas disponibles con un buen rendimiento.
Figura 14: El coeficiente de correlación de la envolvente (ECC) para las antenas de la banda 46 de LTE es muy bueno, con ninguna de las dos antenas por encima de 0,05.
Figura 15: Se muestran las cuatro posiciones del modelo Poseable Hand utilizado en el estudio, que se posicionaron utilizando controles dentro de XFdtd. En el sentido de las agujas del reloj, desde arriba a la izquierda: mano izquierda, dos manos a los lados, dos manos escribiendo y mano derecha.
El rendimiento de los parámetros S sigue siendo bueno en todas las posiciones de la mano, aunque en algunos casos la pérdida de retorno se ve afectada significativamente. Por ejemplo, en la figura 16 se muestra la pérdida de retorno de las antenas LTE de banda 42/43 para las posiciones de sujeción izquierda y derecha, y se aprecia una diferencia notable con respecto a la pérdida de retorno del teléfono solo mostrada en la figura 5. Del mismo modo, las antenas SA que operan en la banda LTE 46 también se ven modificadas por las posiciones de sujeción izquierda y derecha, tal como se muestra en la Figura 17. Para las dos posiciones de sujeción de la mano, hay menos alteración de los parámetros S para las mismas antenas, ya que las manos no están cubriendo directamente las antenas, como se muestra en las figuras 18 y 19.
Figura 16: Con las manos izquierda y derecha sujetando el teléfono, los resultados de pérdida de retorno para las antenas LTE de banda 42/43 cambian, pero siguen siendo suficientemente buenos.
Figura 17: Con las manos izquierda y derecha sujetando el teléfono, la pérdida de retorno y el aislamiento siguen siendo aceptables para las antenas LTE de banda 46.
Figura 18: En las dos configuraciones de mano, la pérdida de retorno en la banda LTE 42/43 sólo cambia ligeramente y sigue siendo aceptable.
Figura 19: En la banda LTE 46 más alta, las dos configuraciones de mano sólo tienen un ligero impacto en la pérdida de retorno y el aislamiento.
Como cabe esperar, la eficacia se ve muy afectada por la presencia de las manos. Los patrones se interrumpen y se pierde potencia en el tejido de la mano, lo que se traduce en un peor rendimiento. Un ejemplo extremo se muestra en la Figura 20 para el caso de las dos manos a los lados en las bandas LTE 42/43, donde la eficiencia máxima sólo ronda el 35%. Otros casos estudiados presentan un mejor rendimiento.
Figura 20: La eficiencia se ve muy afectada por las manos en el teléfono. Aquí se muestra la eficiencia para las bandas LTE 42/43 para el caso de las dos manos a los lados sin que ninguna antena supere el 35% de eficiencia.
Es comprensible que los patrones de ganancia se vean afectados por la posición de las manos 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 sujeta el teléfono, como se muestra en la figura 22, algunos de los patrones, en particular el de la antena 10 junto al pulgar, se ven muy afectados y muestran mucha menos ganancia. En el caso de las antenas LTE 46 SA de banda de frecuencia más alta situadas a los lados, se observan patrones bastante uniformes cuando el dispositivo está solo, como en la figura 23. Con las manos a los lados 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 mecanografía a dos manos y las mismas antenas, las antenas superiores muestran un aumento de la ganancia debido a la presencia de los pulgares en el centro de la pantalla, como se muestra en la figura 25. En resumen, las ganancias máximas de todas las configuraciones se detallan en las Tablas 1 y 2.
Figura 21: Se muestran los patrones de ganancia tridimensionales de las seis antenas LA a 3,6 GHz (bandas LTE 42/43) para el caso del dispositivo solo en el espacio libre. Cada antena irradia un patrón con un pico de ganancia hacia los bordes exteriores del dispositivo, tal y como se desea.
Figura 22: Con la mano izquierda sujetando el teléfono en la banda LTE 42/43, los patrones de ganancia se modifican y el patrón central situado bajo el pulgar (antena 10) ve muy reducida su ganancia.
Figura 23: En la banda LTE 46, se muestran los patrones de ganancia tridimensionales con el pico de ganancia hacia el exterior del dispositivo.
Figura 24: En las dos manos en posición lateral en la banda LTE 46, los patrones de ganancia en la parte inferior del teléfono (antenas 4 y 6) se ven perturbados por la presencia de los dedos y se reducen en comparación con los patrones superiores.
Figura 25: En la configuración de tecleo a dos manos en la banda LTE 46 los patrones superiores (antenas 9 y 11) se ven realzados por el impacto de los pulgares con dan un efecto reflector.
Tabla 2: Se muestran las ganancias pico de cada antena a 5,5 GhHz (banda LTE 46) para las cinco configuraciones.
Como cabe esperar, los resultados de ECC también se ven afectados por la presencia de las manos. En todos los casos, sin embargo, el ECC se mantiene muy por debajo del umbral de 0,5, como era de desear. Los peores resultados de ECC corresponden a las posiciones de sujeción con la mano izquierda y derecha en las antenas LTE de banda 42/43, en las que el ECC puede llegar a 0,4, como se muestra en las figuras 26 y 27. En todos los casos de la banda LTE 46, el ECC se mantiene por debajo del umbral de 0,5, como es deseable. Todos los casos en la banda LTE 46 se mantienen con un ECC inferior a 0,2.
Figura 26: El peor caso de ECC se muestra para el caso de sujeción a la derecha en las bandas LTE 42/43, donde la correlación entre las antenas 3 y 5 alcanza hasta 0,4. Esto sigue estando por debajo del umbral de 0,5. Esta cifra sigue estando por debajo del umbral de 0,5.
Figura 27: En la posición de sujeción a la izquierda en las bandas LTE 42/43, el ECC es mayor para las antenas 8 y 10, con un nivel máximo en torno a 0,33.
Se puede observar que la antena de 12 puertos ofrece un rendimiento muy bueno con diversas configuraciones de uso. Aunque algunas colocaciones de la mano degradan el rendimiento de las antenas que están cubiertas, hay otras antenas disponibles para mantener el funcionamiento.
Referencia:
[1] Yixin Li, Chow-Yen-Desmond Sim, Yong Luo y Guangli Yang, "Conjunto de antenas MIMO masivas 5G de 12 puertos en teléfonos móviles sub-6GHz para aplicaciones LTE en las bandas 42/43/46", IEEE Access vol. 6, pp. 344-354, 2018.