5g 用 28 GHz 直列給電パッチアンテナアレーの EM シミュレーション

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次世代ワイヤレス通信のための議論の一部は、より高い周波数でアンテナアレイからビームを迅速に操縦する能力です。 この例では、提案されたアンテナ [1] は8つの直列給電パッチ要素から成り、それぞれに8つのパッチが含まれており、定在波と進行波の両方の動作を生成するように接続されています。 配列は、要素の入力で信号の位相を変化させることによって、配列の横軸に掃引することができる単一のビームを生成します。

このアレイは、S パラメータやゲイン、実効等方性放射電力 (EIRP) などの標準パフォーマンスメトリックに対して評価されます。 EIRP は、アンテナに供給される入力電力に、そのアンテナのゲインを乗算したものです。 これは、評価されたアンテナのメインビームの信号強度に合わせて等方性アンテナが放射する必要がある総電力を示します。 本稿では, シミュレーションを行い, XFdtd® EM シミュレーションソフトウェア.

図 1: 上から見た単一の1x8 パッチ要素の CAD 表現。

最終配列は、図1に示すような8つの独立した1x8 シリーズフィードパッチ要素から構築されます。 配列について説明する前に、1つの要素の特性を最初に調べます。 各パッチは3.539 ミリメートル x 3.539 ミリメートルであり、3.539 ミリメートルを分離されています。 ラインの最後のパッチは、接続側で0.6269 ミリメートル x 2.727 ミリメートルのノッチカットアウトを持っています。 パッチを接続するマイクロストリップラインの幅は 0.494 mm です。 最初の供給ラインは 2.215 mm で、幅は 0.72 mm です。 要素の全長は 55.3 mm です。 アンテナは誘電率2.2、損失正接は0.0009、厚さは 0.254 mm の基板上にあります。 

ジオメトリは、グリッドを使用して、FDTD メッシュに変換されます。 PrOGrid XFdtd の機能。 ジオメトリの各要素には、自動固定点が有効になっており、構造物のコーナーを FDTD グリッドと完全に整合させることができます。 良好な導線の最小フィーチャサイズは、パッチ間のマイクロストリップラインの幅に設定され、その間に少なくとも8つの FDTD セルがあるように定義される。 誘電体基板は、少なくとも5つの膜厚の FDTD セルを、不良導体最小特徴サイズ設定を使用して有するように定義される。 波長当たりの細胞の総数は、良好な結果を確保するために60に設定されています。

素子の入力は、S パラメータの結果のために26から 30 GHz までカバーする広帯域信号によって最初に励起される電圧源です。 S パラメータを計算するためのシミュレーションに続いて、リターンロスは不十分な一致による弱い応答を有することが見出される。 これは直列インダクタと並列コンデンサ (0.22 nH と 0.09 pF) で構成される整合回路を追加することで補正します。 一致した入力リターン損失は、28 GHz 付近で null を生成します (図 2)。 単一要素の遠方界利得パターン (図 3) は、16.77 dBi のピークゲインを持つパッチに対して垂直な強い中央ローブを示しています。 図4に示すように、ピーク側のローブはメインローブから約 13 dBi ダウンしていると見られます。

図 2:50 ωソースを供給すると、1x8 素子のリターンロスがわずかにずれている。単純な LC マッチング回路を追加することにより、デバイスは 28 GHz に調整されます。

図 3: the1x8 要素の遠方界利得パターンは、1つの次元と他の円形に焦点を当てた強い中心ビームを有する。ピークゲインはわずか 17 dBi 未満です。

図 4: XZ 寸法 (E プレーン) では、アンテナパターンには 16.77 dbi のゲインを持つメインビームと 3.73 dbi のピークサイドローブレベルがあります。

配列を作成するには、図5に示すように 55.3 mm x 41 mm を測定する配列を形成するために、単一の1x8 要素のうち8つを間隔 5.352 mm に配置します。 広帯域 S パラメータデータを生成するために、8つの入力ポートのそれぞれにパルス励起が適用されます。 単一のエレメントに使用されるのと同様の整合回路が、アレイのすべての入力ポートに適用されます。 8つのポートすべてのリターン・ロスは図6に示すように非常によく似ていますが、隣接するポート間のアイソレーションはそれぞれ-15 dB の下にあります (図 7)。 

図5は、8つの1x8 要素の組み合わせを配列にした CAD 表現です。要素の間隔は 5.352 mm で、中心から中央に配置されます。

図 6: 各フィードに単純な LC マッチング回路を追加した後、各ポートのリターンロスが 28 GHz に調整されていることが示されています。

図 7: 隣接するポート間のアイソレーションは、すべての可能な組み合わせで-15 dB 以下であることが示されています。

図 8: すべての入力が位相で供給されたときのアレイのゲインパターンは、24 dBi のゲインを持つ強い中心ビームになります。

各入力ポートでの信号の位相に応じて、多数の異なるビームが定義されてもよい。 すべてのポートが位相で供給されると、アレイ平面に垂直なビームは最大ゲイン 24 dBi で形成されます (図 8)。 このジオメトリの性質により、ビームは入力ポートのラインに平行な1つの平面でのみ操舵されます。 フェーズを調整するために、バトラー行列式を使用して要素間位相差を計算します。 次のように定義されます。

α (2i)/m * π

ここでα は要素間の位相差であり、i はバトラー行列のビーム番号または入力ポート番号であり、M はポート数である。 この場合、ビーム1-8 の位相は-157.5 度、-112.5 度、-67.5 度、-22.5 度、22.5 度、67.5 度、112.5 度、および157.5 度である。 入力ポート間で位相シフトが適用されるため、最初のポートは、ビーム1の場合は0度、2番目は157.5 度、3番目の315度などのシフトがあります。 これらの位相シフトは、28 GHz で正弦波入力とともに適用されます。 YZ (E 平面) の結果として得られた梁は、主ローブ方向が +/-55 度、+/-37 度、+/-21.5 度、+/-7 度の一連のラインプロットとして図9に示してあります。 3次元では、梁1から4は図 10-13 に見られるかもしれません。 図14に、8つの梁すべてが 1 3 次元の画像で示されている。

図 9: 各ポートにバトラーマトリクス位相シフトを適用した後、指向性ビームが形成される。8つのビームが表示されます。

図 10: バトラーマトリックスから形成されたゲインパターンビーム #1 (ポートあたり157.5 度) のための位相は、55度で最大ゲインを持つ広いビームを持っています。

図 11: バトラーマトリックスから形成されたゲインパターンビーム #2 (ポートあたり112.5 度) のための位相は、37度で最大ゲインを持つより集束ビームを持っています。白い矢印は、ピークゲインの方向を示します。

図 12: バトラーマトリックスから形成されたゲインパターンビーム #3 (ポートあたり67.5 度) のための位相は21.5 度で最大ゲインを持っています。

図 13: バトラーマトリックスから形成されたゲインパターンビーム #4 (ポートごとに-22.5 度) のための位相は7度で最大ゲインを持っています。

図14は、バトラーマトリックスの位相方程式によって生成された8つの梁の側面図である。各ビームは個別のシミュレーションを表します。

この配列は、バトラーマトリックスの段階的な8つのビームを形成することが示されています。ただし、有効な等方性放射電力の累積分布関数を計算することにより、すべての可能なフェーズの組み合わせに対する合計利得のさらなる分析が可能です。 このプロットは、指定された量の入力電力に対して配列がカバーする3次元遠方界球の小数領域を示しています。 この配列では、EIRP プロットの CDF (図 15) では、入力電力が 23 dBmW の場合、アレイは遠方領域の球体の約 27.4% にわたって正のゲインを持っていることを示しています。 これは、ビームが正のゲインを持つ走査領域を表し、これは、放射量の 50% をブロックするアレイの下の接地面によって制限されます。 ファーゾーン領域の上部半球は、アレイの設計により1つの軸のみでビームによってスキャンされるため、スキャンした領域は比較的限られています。 プロットはまた、ピーク EIRP が約 46.4 dBmW であることを示しています。

図 15: EIRP の累積分布関数のプロットは、入力電力の 23 dBmW について、3次元遠方界球の約 (1 〜 726) または 27.4% が正のゲインを持つことを示しています。

図 16: Remcom の RLD ソフトウェアには、アレイのフロントエンドとして使用するのに適した示すレンズデバイスが示されています。

バトラー行列式を使用してソフトウェアのフェーズを調整する代わりに、シミュレーションで示すレンズなどの真の時間遅延デバイスを使用して、このアレイでビームを形成することもできます。 Remcom の 示すレンズデザイナー® (RLD)、適切なレンズ (RLD ソフトウェアの図16に示す) がアレイの基準を満たすように設計されています。 RLD からレンズの CAD ファイルをエクスポートして XFdtd にインポートした後、8つの入力ポートと4つのサイドウォールダミーポートを使用して完全なジオメトリが作成されます (図 17)。 シミュレーションでは、各ポートのフェーズを調整するのではなく、一度に1つのポートを供給することによってビームが作成されます。 次の8つのシミュレーションでは、それぞれが異なるポートをアクティブにして、アレイによって形成される8つのビームが図18に表示されます。 カバレッジは、図14で前に示したバトラーマトリックスのフェーズに似ています。

図 17: 示すレンズビームフォーミングステージを持つアレイの結果のジオメトリは、XFdtd で3次元 CAD ファイルとして表示されます。

図 18: 一度に示すレンズのポートの1つを活性化することによって生成されたアレイからの8つの可能なビームパターンが示される。

参照:

[1] m. Ishfaq、ラーマン、山田、榊原「5g モバイル基地局アンテナのための 28 GHz における8x8 フェーズドシリーズ給電パッチアンテナアレイ」、2017無線通信におけるアンテナと伝搬に関する APWC、160-162、2017の IEEE APS の局所会議です。