28 GHz の5g 用8x8 平面フェーズドパッチアンテナアレイのビームフォーミング

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アンテナのセットアップ

図 1: 8x8 のパッチ配列のレイアウトを示すアンテナジオメトリの平面図。

アンテナ形状は、導体接地面に裏打ちされた誘電体材料 (誘電率 = 2.2、損失正接0.0009、厚さ 0.254 mm) の 52.5 x 52.5 mm シートから成り、8x8 構成で64パッチ要素をトッピングします。各パッチは 3.4025 mm の正方形で、28 GHz (約 5.36 mm) で半波長の間隔が空けられています。誘電体シート上のパッチレイアウトのビューが図1に表示されます。各アンテナのフィードポイントは、最高のリターンロス結果の場所であることがわかったので、パッチの中心から水平方向に 0.75 mm オフセットされます。28 GHz の正弦波波形は、メインビームの所望の方向に基づいて決定される調整可能な位相オフセットを持つ各パッチで使用されます。θ方向に集束したビームの要素の位相を決定するために広く使用されている式 D 、φ D

WN = exp{-j(2π/λ) sin(θD) [xN cos (φD) + yN sin (φD)]}

ここで、x N と y N 各パッチのフィードの位置 (メートル単位) が、配列の左下隅にある初期パッチに参照され、w N に位置する要素の位相シフトです (x N Y N ).インチ XFdtd、フェーズシフトがパラメータ名によって定義されている図2に示すように、これらのフェーズはパラメータを使用して各フィード要素に割り当てられました。

 

図 2: パッチフィードのためのソース定義の1つの例は、所望のビーム方向に応じて調整され得る変数として位相シフトセットを示す。

 

結果

アレイ上でシミュレーションを行い、異なる位相条件で可能なゲインパターンを決定しました。 初期テストではすべてのフェーズが等しくなるように設定し、すべての要素が (0 °、0°) 方向に向かって放射されます。 これにより、図3の主要な平面の1つを通るラインプロットに示されているように、わずか 23 dBi を超える最大利得と、わずか12度を超える 3 dB のビーム幅が得られました。 図4の3次元では、アンテナの CAD ドローイングの上に同じパターンが表示されます。 ビームを (20 °、90°) 方向に向けるように調整されたフェーズでは、22.9 dBi へのピークゲインがわずかに低下し、ビーム幅の幅が約13.2 度になります (図5の3つの次元で示されています)。 ビームをアレイの角 (45 °、40°) にスイープすると、ピークゲインが 21.7 dBi まで下がり、ビームが適度な量まで広がります (図 6)。 ビームを水平方向に向けるようにフェーズが変更されると、アレイは元のパッチアンテナのパターンによって制限に達し、大きなサイドローブを持つゲインプロットを形成します。 図7では、10度のステップで50度までのビームの操舵を示すために、いくつかのビームパターンが一緒に示されています。

図 3: すべてのパッチが等しい振幅でインフェーズで供給される場合の、アレイパターンの断面カットにおけるゲインのラインプロット。ピークゲインはちょうど 23 dBi を超えており、3デシベルビーム幅は約12度です。

図 4: すべてのパッチが等しい振幅で位相的に供給される場合の8x8 アレイの3次元ゲインパターン。

図 5: パッチがメインビームを (20 °、90°) 方向に向けるように段階的にフェーズされる場合の8x8 アレイの3次元ゲインパターン。

図 6:40 °、45°) に向かってメインビームを向けるためにパッチが段階的になっている場合の8x8 アレイの3次元ゲインパターン。

図 7: 位相設定用の8x8 アレイからの6つのゲインパターンの3次元ゲインパターンは、ビームを10度刻みで (0 °、90°、50°、90°) に向けることができます。

各ポートに対してリターン・ロスのシミュレーションが実行され、パッチが適切に調整されたことを示す値が-30 dB 未満であることが判明しました。 放射効率はアレイ上で約 78% から 90% 以上に変化し、アレイのエッジ付近にパッチが一般的に高い効率を持っています。  

サブ配列のパフォーマンスを調べるために、いくつかの単純なケースをシミュレートして、4x4、2x2、および1x2 要素の配列の典型的な結果を見つけました。 これらのシミュレーションはすべて、等しい位相信号を与えられたパッチで行われました。 メイン配列の角にある4x4 および2x2 のサブ配列のパターンを図8と図9に示します。 アレイ上の2つの位置 (エッジの近くに1つ、中心付近に 1) が1x2 サブ配列としてシミュレートされ、結果にわずかな違いしかありませんでした。 主配列の中心付近に定義された1x2 サブ配列の典型的なパターンを図10に示す。 

図 8: メイン配列の1象限の要素の4x4 サブ配列の3次元ゲインパターン。

図 9: メイン配列の1つのコーナーの要素の2x2 サブ配列の3次元ゲインパターン。

図 10: メイン配列の中心付近にある要素の1x2 サブ配列の3次元利得パターン。

すべての可能なフェーズの組み合わせをシミュレートして、アレイ全体のパフォーマンスを判断するのは非効率です。 しかし、XFdtd のマクロプログラムは、個々の要素の位相を掃引することによって、アレイからすべての角度でゲインレベルの完全な検査を可能にすることができます。 結果は、実効等方性放射電力 (EIRP) の累積分布関数 (CDF) を示すプロットです。 EIRP は、アンテナが等方性ラジエータと比較して所定の方向に放射できる電力を示します。 このプロットは、与えられた入力電力レベルに対して、0 dBi を上回るゲインを持つ遠方領域の球の小数部を決定するために使用されます。 一般に、モバイルデバイスの入力レベルとして 23 dBmW の電力レベルが使用されます。 8x8 配列全体の CDF が生成されると、23の dBmW レベルが約0.225 のフラクショナル領域 (図 11) であることがわかり、これは (1 ~ 0.225 = 0.775) 遠方ゾーンの球体の 77.5% が 0 dBi を上回るゲインで照らされることを意味します。 4x4 のサブアレイ (図 12) は、23 dBmW の入力電力で 64.3% のカバレッジを持っています。 2x2 サブ配列 (図13、50%)、およびメイン・アレイの中央付近の1x2 サブ配列についても同様のプロットが示されています (図14、40.2%)。 ここに示されている以外の多くのサブ配列が可能であり、システムのニーズに応じて価値があるかもしれません。

図 11: 完全な8x8 の配列のための EIRP プロットの CDF は、23 dBmW の入力パワーのための遠方ゾーンの球体の 77.5% 以上の正のゲインを示しています。

図 12: メインアレイの1象限に配置された4x4 サブアレイの EIRP プロットの CDF は、dBmW の入力電力に対して遠方ゾーンの球の 64.3% 以上の正のゲインを示しています。

図 13: メイン配列の一角にある2x2 サブ配列の EIRP プロットの CDF は、dBmW の入力電力に対して、遠方ゾーンの球の 50% 以上の正のゲインを示しています。

図 14: 主要配列の中心付近に位置する1x2 サブアレイの EIRP プロットの CDF は、23 dBmW の入力電力について、遠方領域の球の 40.2% 以上の正のゲインを示しています。