5G 基地局向け直列給電パッチアンテナアレイの設計

この例では次を使用します。

この例では、28 GHz の直列給電パッチアンテナアレイの設計および解析を行う方法を説明します。このアレイは、8 行 8 列構成で配置された 64 個のアンテナ素子をもち、28 GHz の 5G モバイル基地局アンテナとして使用されます。フェーズドアレイは、ビームを水平軸に沿って誘導し、さまざまな方向をカバーします。

変数の作成

[2] に従い、変数を作成して値を割り当てます。

Wp = 3.539e-3;
Wc = 0.494e-3;
Lc = 3.539e-3;
Wm = 2.727e-3;
Lm = 0.6269e-3;
Wf = 0.72e-3;
Lf = 2.215e-3;

ジオメトリの作成

antenna.Rectangle 形状オブジェクトを使用して構造内のすべての矩形を作成し、それらを結合します。show 関数を使用して構造を可視化します。

a = antenna.Rectangle(Length=Lf,Width=Wf,Center=[Lf/2,0]);
transVec = Lf;
for i=1:7
b = antenna.Rectangle(Length=Wp,Width=Wp,Center=[transVec+Wp/2,0]);
transVec = transVec + Wp;
c = antenna.Rectangle(Length=Lc,Width=Wc,Center=[transVec+Lc/2,0]);
transVec = transVec + Lc;
a = a + b + c;
end
last = antenna.Rectangle(Length=Wp,Width=Wp,Center=[transVec+Wp/2,0]);
lastsub = antenna.Rectangle(Length=Lm,Width=Wm,Center=[transVec+Lm/2,0]);
last = last - lastsub;
conn = antenna.Rectangle(Length=Lc,Width=Wc,Center=[transVec+Lc/2,0]);
a = a + last + conn;
figure
show(a)

Figure contains an axes object. The axes object with xlabel x (mm), ylabel y (mm) contains 2 objects of type patch. These objects represent PEC, mypolygon.

PCB ボードの設計

pcbStack オブジェクトを使用して、PCB スタックを作成します。グランドプレーン層と誘電体層を作成し、グランドプレーンと同じ形状になるように BoardShape を設定します。PCB スタックを可視化します。

ant = pcbStack;
gnd = antenna.Rectangle(Length=57e-3,Width=10e-3,Center=[57e-3/2,0]);
d = dielectric("Teflon");
d.EpsilonR = 2.2;
ant.BoardThickness = 0.254e-3;
d.Thickness = ant.BoardThickness;
ant.Layers={a,d,gnd};
ant.BoardShape = gnd;
ant.FeedDiameter = Wf/2;
ant.FeedLocations = [0,0,1,3];
figure
show(ant)

Figure contains an axes object. The axes object with title pcbStack antenna element, xlabel x (mm), ylabel y (mm) contains 6 objects of type patch, surface. These objects represent PEC, feed, Teflon.

アレイ性能の解析

mesh 関数を使用してメッシュを手動で生成し、MaxEdgeLength プロパティを 0.4 mm に設定して、必ず 1 波長あたり 30 個の三角形が存在するようにします。

figure
mesh(ant,MaxEdgeLength=0.325e-3);
zoom(2.55)

Figure contains an axes object and an object of type uicontrol. The axes object with title Metal-Dielectric, xlabel x (m), ylabel y (m) contains 3 objects of type patch, surface. These objects represent PEC, feed.

構造の解を求めるのに必要なメモリを計算するには、memoryEstimate 関数を使用します。

memEst = memoryEstimate(ant,28e9)

memEst = 
'43 GB'

非常に多くのメモリを必要とするため、S パラメーターを計算してアンテナパターンをプロットするのにかかる時間は非常に長くなります。この例には、リターンロスとパターンデータの計算が格納された MAT ファイルが含まれています。結果を計算するのに使用したコードは、リターンロスとパターンデータの計算のセクションで入手できます。64 GB の RAM と Intel(R) Xeon(R) W-2133 CPU プロセッサを搭載したマシンでは、1 つの周波数について解を求めるのに約 50 分かかります。

MAT ファイルを読み込み、rfplot 関数を使用してリターンロスをプロットします。

load seriesPatchData.mat
figure
rfplot(out);

$Figure contains an axes object. The axes object with xlabel Frequency (GHz), ylabel Magnitude (dB) contains an object of type line. This object represents dB(S_{11}).$

patternCustom を使用して、アンテナの 2 次元または 3 次元の放射パターンをプロットします。

phi = az';
theta = (90-el);
MagE = pat';
figure
patternCustom(MagE,theta,phi);

Figure contains an axes object. The hidden axes object contains 16 objects of type surface, line, text, patch.

パターンの乗算を使用した放射パターンのプロット

MoM ソルバーを使用して構造全体の解を求める代わりに、パターンの乗算を使用して 8 行 8 列のアレイの放射パターンをプロットします。パターンの乗算を使用するには、Phased Array System Toolbox™ のライセンスが必要です。

phased.CustomAntennaElement System object™ を使用し、読み込んだ MAT ファイルのパターンデータに基づいてカスタムアンテナ素子を構築します。

antenna = phased.CustomAntennaElement;
antenna.FrequencyVector = [0 28e9];
antenna.AzimuthAngles = az;
antenna.ElevationAngles = el;
antenna.MagnitudePattern = pat;
antenna.PhasePattern = zeros(size(pat));

phased.ULA System object™ を使用して、8 行 8 列のアレイを作成します。カスタム素子をアレイの素子として指定します。素子の数を 8 に設定し、素子の間隔を 3.5 mm に設定します。

array = phased.ULA;
array.Element = antenna;
array.NumElements = 8;
array.ElementSpacing = 3.5e-3;

パターン乗算

pattern 関数を使用して、3 次元放射パターンをプロットします。

figure
pattern(array,28e9)

Figure contains an axes object. The hidden axes object with title 3D Directivity Pattern contains 13 objects of type surface, line, text, patch.

pattern 関数を使用して、E 平面の放射パターンをプロットします。

pat1 = pattern(array,28e9,0,0:1:90,CoordinateSystem="rectangular");
pat2 = pattern(array,28e9,180,0:1:90,CoordinateSystem="rectangular");
data1 = [pat1; flip(pat2)];
figure
plot(data1);
grid on;
xlabel("Theta(deg)");
ylabel("Magnitude(dB)");
title("E-Plane");

Figure contains an axes object. The axes object with title E-Plane, xlabel Theta(deg), ylabel Magnitude(dB) contains an object of type line.

pattern 関数を使用して、H 平面の放射パターンをプロットします。

pat3 = pattern(array,28e9,90,-90:1:90,CoordinateSystem="rectangular");
data2 = [pat3;flip(pat3)];
figure
plot(data2);
grid on;
xlabel("Theta(deg)");
ylabel("Magnitude(dB)");
title("H-Plane");

Figure contains an axes object. The axes object with title H-Plane, xlabel Theta(deg), ylabel Magnitude(dB) contains an object of type line.

リターンロスとパターンデータの計算

この例で使用した 'seriesPatchData.mat' ファイルは、次のコードを使用して生成しました。

type RLpatDataComputation.m

out = sparameters(ant,linspace(27.5e9,28.5e9,11));
figure;
rfplot(out);
figure; 
pattern(ant, 28e9)
figure;
impedance(ant,linspace(27.5e9,28.5e9,11));

参考文献

[1] “EM Simulation of 28 GHz Series-Fed Patch Antenna Array for 5G | 2019-02-01 | Microwave Journal.” Accessed January 21, 2022. https://www.microwavejournal.com/articles/31731-em-simulation-of-28-ghz-series-fed-patch-antenna-array-for-5g.

[2] Ishfaq, Muhammad Kamran, Tharek Abd Rahman, Yoshihide Yamada, and Kunio Sakakibara. “8×8 Phased Series Fed Patch Antenna Array at 28 GHz for 5G Mobile Base Station Antennas.” In 2017 IEEE-APS Topical Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications (APWC), 160–62. Verona, Italy: IEEE, 2017. https://doi.org/10.1109/APWC.2017.8062268.

5G 基地局向け直列給電パッチ アンテナ アレイの設計