EM シミュレーションを用いたスマートフォンにおける 5g/4g 複合アンテナの解析

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導入

この例では XFdtd の5G デバイス設計 スマートフォンの設計において、4G (860 MHz) および 5G (28 GHz) で動作する2つのアンテナシステムの性能と相互作用を分析する機能。 4G アンテナは広いカバレッジのための広いパターンを作り出すことを意図していますが、5G アレイは要素間の位相を変えることで操縦できる狭いビームを生成します。 4G アンテナは逆 L 設計で、電話機の上部にあります。 5G アンテナアレイは、4G アンテナの近くにあるが、導電ブロックによってオフセットされた4つの八木 Uda 要素で構成されています。 この例で使用されているアンテナの設計は、[1] の用紙からのものです。

デバイスのジオメトリ

この例のジオメトリは、簡略化されたスマートフォン PCB に基づいています。 図1に示すように、1つの端にアンテナ構造を取り付けたシステムの接地面として、150x70x1 mm の銅が使用されます。 4G アンテナは、短い脚には 1x1 mm の断面と長さ 6 mm、長い脚には 70 mm の逆 L 形で接地面に直接配置されています。 これは、接地面と短い脚の端との間の電圧源によって供給されます。 5G アレイは、図2に示す4つの同一の八木・宇田要素で構成されています。 エレメントは、厚さ 0.3 mm の基板 (誘電率 = 3.6、損失正接 = 0.006) に取り付けられており、導体ブロック 2.2 mm によって接地面から分離されています。 また、図3に目に見える基板の裏側には、八木・宇田アンテナの水平方向の要素もあります。 各5G 要素は、 節点導波路 ソース。

図 1: スマートフォンの設計は、4G アンテナと5G アレイ構造が大きな接地面の一端に左側に見える3次元 CAD 表現で示されています。

図 2: 4G 反転 L アンテナの背後にある誘電体基板上の4つの八木・宇田素子を示す5G アレイの CAD 図。

図 3: アンテナアレイの底面図は、4G および5G 要素と基板の裏面の分離を示しています。

構造をメッシュ化するには、 PrOGrid プロジェクト最適化グリッディング® 波長毎に30個の FDTD セルを基本設定した XFdtd の特徴。 最小フィーチャサイズは、基板に厚さの5つの FDTD セルがあり、最小の導体フィーチャが5つのセルになるように定義されています。 自動固定点もすべての部品に適用され、グリッド線がジオメトリのすべてのエッジに配置されるようにします。

結果

4G アンテナは、最初はグランドプレーンとアンテナベースの間に取り付けられた50ωの電圧源として表される広帯域ソースによって供給されます。 アンテナは50ωソースとの良好な一致ではないため、リターンロスが低下します。 アンテナ負荷のインピーダンスを決定するための初期シミュレーションの後、整合回路を定義してアンテナ性能を向上させることができます。 この場合、2つのコンデンサとインダクタからなるローパス-PI マッチングネットワークを選択し、解析マッチング回路の計算機を用いて部品の値を決定します。 一致するネットワークコンポーネントは、SPICE ネットリスト形式で定義され、図4に示すようにサブ回路として XFdtd にインポートされる。 その後、このサブ回路を整合回路として XFdtd 電圧源に追加することができます (図 5)。 プログラムの実行中、整合回路を含むセルエッジの時間ステップごとに、FDTD フルウェーブ計算と回路ソルバーの共シミュレーションが行われます。 通常のフルウェーブの FDTD シミュレーションは、計算空間の残りの部分に対して行われます。 不一致と一致した4G アンテナのリターンロスプロットが図6に示され、整合回路からの著しい改善が見られます。 4G アンテナのゲインは図7に示されており、2.7 dBi のピークゲインで広範なカバレッジを提供することができます。

図 4: 4G アンテナで使用されているマッチング回路のネットリストのメニューを示します。ネットリストには2つのコンデンサと1つのインダクタがあります。

図5は、4G アンテナに使用される整合回路を持つポートの XFdtd の電圧ソースメニューを示しています。

図 6: 不一致と一致した4G アンテナのリターン損失の比較

図 7: 4G アンテナの3D ゲインパターンは、デバイス周辺のかなり均一なカバレッジと 2.7 dBi のピークゲインを示しています。

4G アンテナに対する5G アンテナアレイの向きは、各アンテナの性能に対する測位の影響を決定するために変化します。 3つの構成が考慮され、図8に示されています。5g アレイをシフトして、5g アンテナの上端を4G アンテナの上部から 2 mm、5G と4G アンテナの上端を同じレベルに維持するか、5G アレイを 2 mm 上にシフトします。 これらの初期のケースでは、5G 配列要素間の位相シフトはゼロに保たれます。 オフセットの影響は図9と図10に表示され、5G アレイのオフセットが 2 mm ダウンすると、XY 平面と YZ 面の両方のゲインパターンに顕著な影響があることが分かります。 5G アレイを 2 mm 上に移動すると、4G アンテナがジオメトリから完全に取り外されたときと同様のパターンになります。 4G および5G アンテナの上部が揃っている場合、5G アンテナパターンにわずかな影響があります。 いずれの場合も、図11に示すように、4G アンテナパターンはわずかに影響を受けます。

図 8: 4G アンテナを基準とした5G アレイの3つの異なる構成 (左から右): 5G アンテナの上部のオフセット (4G アンテナの下 2 mm)、5G アンテナの上部と4G アンテナの間の位置合わせも考慮、4G アンテナの上に2mm の5G アンテナの上部のオフセットを持ちます。

図 9: 要素間の位相シフトがゼロの5G アレイの XY 平面におけるゲインパターンのプロットを示します。5G アレイが4G アンテナの上に 2 mm オフセットされている場合、パターンは、4G アンテナがジオメトリから取り外されたときと似ていることがわかる。同様のパターンは、4G および5G アンテナの上部が揃っている場合に検出されます。5G アンテナが4G アンテナの下に 2 mm オフセットされている場合、5G パターンに大きな影響があります。

図 10: 要素間のゼロ位相シフトを持つ5G アレイの YZ 平面におけるゲインパターンのプロットは、4G アンテナが取り外された場合の 2 mm 以上のオフセットについても同様の結果を示します。5g アンテナを 2 mm 下にシフトした場合、アンテナの上部が揃っている場合に、5 g アレイパターンに影響があり、より大きな影響があります。

図 11: XY 平面における4G アンテナのゲインパターンは、5G アンテナアレイの動きによってわずかに影響を受けます。

次に、5G アンテナアレイは、同じ振幅の 28 GHz の正弦波源によって供給され、5G アレイが4G アンテナの上に 2 mm の位置に配置されている構成のために、要素間に可変位相シフトを行います。 すべての要素が位相で供給されたアレイでは、生成されるパターンのピークゲインは約 12.5 dBi で、3 dB ビーム幅は17度、ピークサイドローブレベルは 0 dBi を下回っています (図 12)。 5G アレイの各要素間に120度の位相シフトを適用した後、図13に示すようにビームを片側に24.5 度スキャンします。 180、-120、-60、0、60、および120度の位相シフトをフィードに適用すると、配列から一連のビームが生成され、図14に示すように、すべてのビームが同時にプロットされます。

図 12: 要素間の位相シフトがゼロの5G アレイの利得パターンは、12.5 dBi のピークゲインと XY 平面で17度のビーム幅を持つビームを示しています。

図 13: 要素間に120度の位相シフトを持つ5G アレイのゲインパターンは、XY 平面で24.5 度傾いたビームを示しています。

図 14: 180、120、60、0、-60、および-120 度の要素間の位相シフトの場合、5G アレイの6つの可能なビームが3D および2D ゲインパターンで示されています。

概要

4g アンテナと5G アレイを組み合わせた簡易スマートフォンデバイスを、4G アンテナに対して5G アレイの異なる構成で評価します。 4g アンテナに対して垂直に2mm の 5 g アンテナオフセットを使用した場合の最良の構成は、4G と5G 要素間の相互作用がほとんどないことを示す結果で見つかりました。

参照:

[1] Yamagajo、古賀、甲斐、外岡、スミ、星野、「将来のスマートフォン向けのノーベル4G および5G アンテナソリューション」、IEEE アンテナと伝搬学会、シンプ、1785-1786、2018を公開しました。