ハンドポジションの変化による MIMO ハンドセットアンテナアレーの性能シミュレーション

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12ポートのための提案された設計  5G 大規模 MIMO モバイル端末は、サブ 6 GHz 範囲で動作するために提示された、具体的には LTE バンド42、バンド43、およびバンド 46 (5150-5925 MHz) [1]。 このデバイスは、42/43 のバンドで 8x8 MIMO 動作のための良好な性能を有していることが示され、6x6 は、携帯電話機の PCB の端の周りに配置されたいくつかの異なるアンテナ設計を使用して、バンド46の MIMO 動作。 ここではアンテナの性能をシミュレートします。 XFdtd まず、ハンドセットだけで、その後、1つまたは2つの手をつかむのいずれかの様々な構成で。 評価される性能基準は、アンテナ対のダイバーシチ性能の指標であるリターンロス、アンテナ間の絶縁、効率、利得、およびエンベロープ相関係数 (ECC) です。

アンテナのレイアウト

図 1: 画面とすべてのアンテナが XY 平面にある場合、XFdtd ソフトウェアインターフェイスのデバイスの CAD ビューが表示されます。アンテナ要素はデバイスの端のまわりで1から12に番号を付けられます。

デバイスは図1に示されており、12個のアンテナ要素が PCB のエッジの周囲に表示され、ラベルが付いています。 上部と左下には、考慮されているすべてのバンドで動作するデュアルバンド反転 PI 型アンテナです。 これらのアンテナは、次の図では IA としてラベル付けされており、アンテナ1および2として番号が付けられています。 アンテナの両側に沿って、下部 (LTE 42/43) バンドのための6つのより長い逆の L 形オープンスロットアンテナ (LA) と LTE バンド46のための4つのより短い逆 L 形オープンスロットアンテナ (SA) があります。 アンテナは la と SA の間で、サイドごとに3つの LA と2つの SA アンテナで交互になります。 アンテナの番号付けは右側の 3 ~ 7 (番号3、5、7は LA)、左側は 8 ~ 12 (LA は8、10、12) です。 デュアルバンドアンテナはより長く、より短い周波数帯のためのより長い腕と設計されている。 図2では、アンテナ1は、3.6 GHz で長いアームの上に流れる伝導電流と、短い方のアームの 5.5 GHz で示されています。 比較の目的で、LA アンテナと SA の2つの要素を図3に示します。 

図 2: 図の左側には、LTE 帯域42/43 範囲の 3.6 GHz でアンテナ素子1の長い部分に XFdtd によって計算された通電電流が示される。右側には、LTE バンド46の範囲の 5.5 GHz でアンテナ素子1の短いアームの伝導電流があります。

図 3: XFdtd インターフェイスのこのビューの上部には、デバイスの端に 3.6 GHz 動作用の長いアームオープンスロット (LA) アンテナの1つです。下部には、5.5 GHz の使用のための短いアームオープンスロット (SA) アンテナがあります。

空き領域でのシミュレーション

性能の1つの尺度として、様々なアンテナの S パラメータは、アンテナのリターン損失と絶縁を示すために考慮されます。 図4では、アンテナ1および 2 (上部および下部 IA アンテナ) のリターンロスが、それらの間の S21 とともに示されています。 見ることができるように、アンテナは低い LTE 42/43 バンドおよびより高い LTE 46 バンドの良好なリターンロス値を持っています。 S21 は、アンテナが PCB の極端な端にあるので、両方のバンドで低いままです。 LTE バンド42/43 のすべての LA アンテナのリターン損失を図5に示します。 図6は、隣接した sa アンテナと隣接する SA アンテナと IA の間の分離とともに、バンド46の SA アンテナのリターン損失を示しています。 下の周波数帯について、隣接する LA アンテナ (および隣接する LA と IA アンテナ間) の分離を図7に示します。 すべてのケースでは、結果は-6 デシベル (3:1 VSWR) とアイソレーション-11 デシベル以上のリターンロスの設計公差内にあります。

図 4: アンテナ1および2の S パラメータは、デバイスのすべての動作帯域にわたって表示されます。2つの異なる動作領域があります: 約 3.6 GHz と約 5.5 GHz。両方のために、S21 によって決定される分離が-18 デシベルのまわりにある間、リターンロスは必要なレベルをよく下回っています。

図 5: 下部バンド (LTE 42/43) 内のすべてのアンテナのリターン損失が表示され、非常に良好な結果を示します。

図 6: 高帯域 (LTE 46) では、選択した要素のリターンロスとアイソレーションが良好な結果で示されます。

図 7: LTE バンド42/43 の選択エレメント間のアイソレーションを示します。

アンテナの性能は、さまざまな要素の効率と利得をそれらの動作帯域にわたって表示することによって決定されます。 図8では、LTE バンド42/43 アンテナの効率が示されており、IA アンテナ (1 および 2) と LA アンテナ (3、5、7、8、10、および 12) に対して妥当です。 LTE 46 帯域では、図9に示すように 50% 以上の効率でアンテナの性能が向上します。 ゲインは、アンテナのさまざまな組み合わせの XY 平面 (デバイス画面の平面) にプロットされます。 いずれの場合も、アンテナのゲインパターンはデバイスの中心から離れるように設計されています。 図10では、LTE バンド42/43 での IA アンテナのゲインが示されており、デバイス画面の隅に向かっているアンテナから45度の角度で最大ゲインを持っていることが確認できます。 図11では、電話機の右側にある LTE 42/43 バンドの LA アンテナのゲインが示されており、それぞれの場合において、最大ゲインは画面中心から離れた X 軸に沿っています。 図12では、LTE 帯域46の電話機の右側にある SA アンテナのゲインが同様の特性で示されています。

図 8: LTE 帯域42/43 におけるアンテナの効率を示します。電話機 (1 および 2) の両端にある2つの IA アンテナは、60% 以上の効率を示し、電話機の両側の LA アンテナは35と 50% の間の効率が低くなっています。

図 10: 2 つの IA アンテナの XY 平面のゲインパターンは、デバイスの各コーナーに対するピークゲインを示しています。

図 9: 高 LTE 46 帯域のすべてのアンテナの効率は約 50% を超えており、良好なパフォーマンスを示しています。

 

図 11: LA アンテナは、デバイスの外縁に向かってピークゲインを持っています。この場合、デバイスの右側にあるアンテナは、+ X 方向のピークゲインで示されます。

 

図 12: SA アンテナは、LA アンテナと同様にデバイスの外縁に向かってピークゲインを持っています。ここでアンテナ4と6は、+ X 方向のピークゲインを示している。

 

アンテナペアのダイバーシチ性能を評価するために、分離を超えた重要な測定は、エンベロープ補正係数 (ECC) です。 このメジャーは、個々のアンテナが他のものから独立して実行することが重要であるダイバーシチおよび多重化アプリケーションに対して、デバイスがどの程度うまく機能するかを判断するのに役立ちます。 ECC の基本基準は、0.5 未満の値です。 LTE 42/43 帯および LTE 46 帯における各種アンテナ対の ECC をそれぞれ図13、14で比較した。 すべてのプロットは、約0.15 で LTE 42/43 バンドのアンテナ8と10の間にある最大相関を持つ0.5 の制限を十分に下回っています。

図 13: LTE バンド42/43 アンテナのエンベロープ相関係数 (ECC) は、0.15 のピーク値では非常に良好です。

手でシミュレーション

図 14: LTE バンド46アンテナのためのエンベロープ相関係数 (ECC) は0.05 より高い2つのアンテナ無しで非常によいです。

より現実的な条件で電話操作をさらにテストするために、図15に示すように、ハンドモデルは片手と両手の両方の構成で導入されます。 位置は、左右の手のホールド、サイドモードでの2つの手、および親指タイピング構成を持つ2つの手のためのものです。 手の位置によっては、特定のアンテナがカバーされ、パフォーマンスが影響を受けます。 ただし、デバイスの両側に複数のアンテナがあるため、ほとんどの状況では、良好なパフォーマンスを備えたいくつかのアンテナがまだあります。

図 15: 示されている4つの位置 フィギュア【ハンド XFdtd 内のコントロールを使用して配置されたスタディで使用されるモデル左上から時計回り: 左手のホールド、両サイドの両手、2つの手タイピング、右手のホールド。

S パラメータの性能は、すべての手の位置に対して良好なままですが、場合によってはリターンロスが大きく影響を受けます。 たとえば、図16では、LTE バンド42/43 アンテナのリターン損失が左右のホールド位置について示されており、図5に示すように、電話単独のリターン損失に対して顕著な差があります。 同様に、LTE バンド46で動作する SA アンテナも、図17に示すように左右のハンドホールド位置によって変更される。 2つのハンドホールドポジションでは、図18および19に示すように、ハンドがアンテナを直接カバーしていないため、同じアンテナの S パラメータに対する中断が少なくなります。

図 16: 携帯電話を保持している左と右の手で、LTE バンド42/43 アンテナのリターン損失の結果は変更されますが、それでも十分です。

図 17: 左と右の手が電話を握ると、リターンロスとアイソレーションは LTE バンド46アンテナのために受け入れられたままです。

図 18: 2 つのハンド構成では、LTE 42/43 帯域のリターン・ロスはわずかに変更され、許容可能なままです。

図 19: より高い LTE バンド46では、2つの手構成はリターン損失および分離にわずかな影響しかありません。

期待できるように、効率は手の存在によって大きく影響される。 パターンは破壊され、力はより悪い性能に終って手のティッシュで失われる。 極端な例は、ピーク効率が約 35% である LTE バンド42/43 の両側の2つの手の場合のために図20に示されています。 他のケースは、より良いパフォーマンスを持っていた。  

 

図 20: 効率は電話の手によって大きく影響されます。ここでは、サイドケースの2つのハンドの LTE バンド42/43 の効率は、35% 以上の効率でアンテナを使用していないことが示されています。

 
 

ゲインパターンは、当然のことながら、携帯電話の手の位置によって影響を受けます。 図21は、電話単独の場合の LTE バンド42/43 における6つの LA アンテナの3次元パターンを示す。 左手が携帯電話を保持しているとき、図22に示すように、いくつかのパターン、特に親指によるアンテナ10は、大きく影響され、はるかに少ない利得を示す。 側面のより高い周波数 LTE バンド 46 SA アンテナのために、デバイスが単独であるとき図23のようなかなり均一パターンがあります。 図24のように、2つの下部アンテナの横と指の手で、下部アンテナのパターン (4 および 6) が、上部アンテナ (9 および 11) に比べて小さくなります。 2つのハンドタイピングの設定と同じアンテナの場合、上部のアンテナは、図25に示すように、画面の中央に親指があることによるゲインの増加を示します。 要約すると、すべてのコンフィギュレーションのピークゲインは表1と2に詳述されています。

図 21: 6 つの LA アンテナの3次元ゲインパターンは、デバイス単独の場合は 3.6 GHz (LTE バンド 42/43) で表示されます。各アンテナは、必要に応じてデバイスの外縁にピークゲインを持つパターンを放射しています。

図 22: 携帯電話を LTE バンド42/43 で保持している左手では、ゲインパターンが修正され、親指の下の中心パターン (アンテナ 10) がゲインにおいて大幅に減少する。

図 23: LTE バンド46において、3次元利得パターンは、デバイスの外側に向かってピークゲインで示されている。

図 24: LTE バンド46のサイドポジションの両手では、電話機 (アンテナ4および 6) の下部にあるゲインパターンは、指の存在によって妨げられ、上側のパターンと比較して減少します。

 

図 25: LTE バンド46における2つの手タイピング構成では、上部パターン (アンテナ9および 11) は、反射器効果を与えると親指の衝撃によって増強される。

 

表 1: 5 つの構成について、3.6 GHz (LTE バンド 42/43) での各アンテナのピークゲインが示されています。

 

表 2: 5.5 GhHz (LTE バンド 46) における各アンテナのピークゲインを5つの設定で示します。

 

予想されるように、ECC 結果は手の存在によっても影響を受けます。 ただし、いずれの場合も、ECC は必要に応じて0.5 のしきい値を下回っています。 最悪の場合の ECC 結果は、図26および27に示すように、ECC が0.4 の高さに達することができる LTE バンド42/43 アンテナの左および右のハンドホールド位置に対するものです。 LTE バンド46のすべてのケースは、0.2 以下の ECC で残ります。

図 26: LTE バンド42/43 の右側のホールドケースでは、アンテナ3と5の相関が0.4 の高さに達すると、最悪のケースの ECC が表示されます。これは依然として0.5 のしきい値を下回っています。

図 27: LTE バンド42/43 での左手ホールド位置において、ECC はアンテナ8および10に対して最も高く、0.33 の周りのピークレベルを持つ。

12ポートアンテナは、さまざまな使用構成で非常に優れた性能を発揮することができます。 一部のハンド配置では、カバーされているアンテナのパフォーマンスが低下しますが、操作を維持するために使用できる他のアンテナもあります。

参照:

[1] イシン李氏、チャウ \-デズモンドシム、ヨン羅、および Guangli ヤン、「LTE バンド42/43/46 アプリケーション用のサブ6GHz モバイルハンドセットにおける12ポート5G 大規模 MIMO アンテナアレイ」、IEEE Access vol 6、344-354、2018。