手の位置を変化させたMIMOハンドセット・アンテナ・アレイの性能シミュレーション

サブ 6 GHz 帯（特に LTE バンド 42（3400-3600MHz）、バンド 43（3600-3800MHz）、バンド 46（5150-5925MHz）で動作する 12 ポートの5G マッシブ MIMOモバイル端末の設計案が発表された [1]。 このデバイスは、モバイルハンドセットPCB の端に間隔をあけて配置された複数の異なるアンテナ設計を使用することで、バンド42/43では8x8 MIMO動作、バンド46では6x6 MIMO動作で優れた性能を発揮することが示されました。 このアンテナの性能は、XFdtdを用いて、まず携帯電話機単体で、次に片手または両手で把持する様々な構成でシミュレーションされました。 評価された性能基準は、リターンロス、アンテナ間のアイソレーション、効率、利得、アンテナペアのダイバーシティ性能の指標である包絡線相関係数（ECC）です。

アンテナレイアウト

このデバイスは図1に示されており、12個のアンテナエレメントがPCBの縁に見え、ラベルが貼られている。 左上と左下には、検討中のすべてのバンドで動作するデュアルバンド逆PI型アンテナがあります。 ののーアンテナ1ーアンテナ1ーアンテナ1ーアンテナ1ーアンテナ1ーアンテナ アンテナの両側に沿って、下位（LTE 42/43）バンド用の6つの長い逆L字型オープンスロットアンテナ（LA）と、LTEバンド46用の4つの短い逆L字型オープンスロットアンテナ（SA）があります。 ーLAとーSAがー片面あたりーLA3本、ーSA2ー2ー2ー2ー アンテナの番号は、右側が3から7まで（3、5、7がLA）、左側が8から12まで（8、10、12がLA）。 、図2では図2では図2では図22では図中アンテナ1 図2では図2では図2では図2アンテナ1図2（図2アンテナ1は図中、図1図2（図1図中3． 図3には、比較のためにLAアンテナとSAアンテナの2つのエレメントが示されています。

自由空間でのシミュレーション

As one measure of performance, the S-parameters of various antennas will be considered to show the return loss and isolation of the antennas. 図4では 図4では 図4では 図1 図4では 図1 図4では図4では図4では図1 図4（図4 4の LTE42/43のLTE46のLTE42/43のLTE46のLTE46の アンテナはPCB の両端にあるため、S21 はどちらのバンドでも低いままです。 LTEバンド42/43におけるすべてのLAアンテ ナのリターンロスを図5に示します。 図 6 に、バンド 46 における SA アンテナのリターン・ロスと、隣接する SA アンテナ間および隣接する SA アンテナと IA アンテナ間のアイソレーションを示します。 低周波数帯の隣接するLAアンテナ間（および隣接するLAアンテナとIAアンテナ間）のアイソレーションを図7に示します。 いずれの場合も、リターンロスは-6dB以下（VSWRは3:1）、アイソレーションは-11dB以上と、設計上の許容範囲内に収まっています。

アンテナの性能は、各エレメントの動作バンドにおけ る効率と利得を見ることで決定されます。 図 8 では、LTE バンド 42/43 のアンテ ナの効率が示されており、IA アンテナ（1 と 2）については妥当で、LA アンテナ（3、5、7、8、10、12） については中程度です。 LTE 46 バンドでは、図 9 に示すように、アンテ ナの性能は向上し、効率は 50% を超えています。 様々なアンテナの組み合わせについて、利得をXY平面（デバイス画面の平面）にプロットしています。 いずれの場合も、アンテナ利得パターンはデバイスの中心から離れるように放射さ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 アンテナの利得が示されており、アンテナから 45 度の角度で最大利得を持つことがわかります。 図11では、端末右側のLTE 42/43バンドにおけるLAアンテナの利得が示されており、いずれの場合も、最大利得はX軸に沿って、画面中心から離れた位置にあります。 図12では、LTEバンド46における電話機の右側のSAアンテナの利得が、同様の特性で示されています。

アンテナ・ペアのダイバーシティ性能を評価するために、アイソレーションを超える重要な尺度がエンベロープ補正係数（ECC）です。 この指標は、個々のアンテナが他のアンテナから独立して動作することが重要なダイバーシティや多重化アプリケーションにおいて、デバイスがどの程度機能するかを判断するのに有用です。 ECCの基本的な基準は0.5未満です。 LTE 42/43バンドとLTE 46バンドにおけるさまざまなアンテナ・ペアのECCを、それぞれ図13と図14で比較しました。 すべてのプロットは0.5を大きく下回っており、最大相関はLTE 42/43バンドのアンテナ8と10の間の約0.15です。

手を使ったシミュレーション

より現実的な条件での電話操作をさらにテストするために、図15に示すように、片手と両手の両方の構成でハンドモデルを導入しました。 左手と右手を持った状態、両手を横に置いた状態、両手を親指でタイピングした状態です。 手の位置によって、特定のアンテナがカバーされ、性能に影響が出ます。 しかし、デバイスの両側には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で利用できるアンテナがまだ複数あります。

S パラメータの性能は、すべてのハンドポジションで良好なままですが、リターンロスが大きく影響するケースもあります。 例えば、Figure 16では、LTEバンド42/43アンテナのリターンロスが左右の手の位置で示されており、Figure 5に示された電話機のみのリターンロスに対して顕著な違いがあります。 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、左右の手の保持位置によって変化します。 図18と図19に示すように、2つの手の位置では、手が直接アンテナを覆わないため、同じアンテナのSパラメータの乱れが少なくなります。

予想されるように、効率は手の存在によって大きく影響を受ける。 パターンが乱れ、手の組織で電力が失われるため、性能が低下する。 極端な例を図20に示すが、LTEバンド42/43で両手を横に置いた場合、ピーク効率はわずか35%程度である。 他のケースでは、より高い性能が得られている。  

ゲインパターンは、携帯電話を持つ手の位置によって当然影響を受けます。 図21は、電話機のみの場合のLTEバンド42/43における6つのLAアンテナの3次元パターンを示しています。 図22に示すように、左手で携帯電話を持っている場合、一部のパターン、特に親指によるアンテナ10は大きな影響を受け、ゲインが大幅に低下しています。 側面のより高い周波数のLTEバンド46のSAアンテナについては、図23のように、デバイスが単独である場合、かなり均一なパターンが存在する。 図24のように、両手をサイドに置き、指を2つのボトム・アンテナの横に置くと、ボトム・アンテナ（4と6）のパターンはトップ・アンテナ（9と11）に比べて減少します。 両手でタイピングする構成と同じアンテナの場合、図25に示すように、画面の中央に親指があるため、上のアンテナは利得の増加を示しています。 要約すると、すべての構成のピークゲインは表1と表2に詳述されています。

表1：3.6GHz（LTEバンド42/43）における各アンテナのピークゲインを5つの構成について示す。

表2：5.5GhHz（LTEバンド46）における各アンテナのピーク利得を5つの構成について示す。


予測されるように、ECCの結果も手の存在によって影響を受ける。 しかし、すべての場合において、ECC は望ましい閾値 0.5 を大きく下回っています。 最悪の ECC の結果は、LTE バンド 42/43 アンテナで左手と右手をホールドした場 合のもので、図 26 および 27 に示すように、ECC は 0.4 にも達します。 LTEバンド46では、すべてのケースでECCが0.2未満に抑えられています。

12ポートアンテナは、さまざまな使用形態で非常に優れた性能を発揮することがわかる。 手の置き場所によっては、カバーされたアンテナのパフォーマンスが低下することがありますが、動作を維持するために利用できる他のアンテナもあります。

参考までに：

[1] Yixin Li, Chow-Yen-Desmond Sim, Yong Luo, and Guangli Yang, "12-Port 5G Massive MIMO Antenna Array in Sub-6GHz Mobile Handset for LTE Bands 42/43/46 Applications," IEEE Access vol. 6, pp.344-354, 2018.