CC BY
29
DOI 10.36622/VSTU.2022.18.1.013 УДК 621.396
ДВУХДИАПАЗОННАЯ ЩЕЛЕВАЯ АНТЕННА ДЛЯ СМАРТФОНА С ПОДДЕРЖКОЙ
ТЕХНОЛОГИИ MIMO
А.М. Жихарев, Е.А. Ищенко, С.М. Фёдоров, И.А. Черноиваненко
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматривается многодиапазонная восьмипортовая MIMO антенная решетка для сетей четвертого (4G) и пятого (5G) поколений (sub-6 GHz), которая позволяет охватывать два спектральных диапазона. Для достижения многолучевого режима работы в углы печатной платы смартфона интегрированы двухэлементные ромбовидные излучатели с технологией подачи микрополосковых линий. В связи с доступностью изготовления рабочего прототипа антенны и простотой интеграции системы MIMO в печатную плату телефона разрабатываемая система MIMO 4x4 ре-ализовывается на основе щелевых антенн-излучателей. Для предложенной конструкции определены основные характеристики антенного элемента: возвратные потери (S-параметры), распределение поверхностных токов, диаграммы направленности. Для минимизации степени влияния неучтенных факторов были произведены измерения при экспериментальном исследовании, а также проведено сравнение характеристик антенны при моделировании и реальном исполнении. Для MIMO антенной решетки был определен коэффициент корреляции огибающей, а также коэффициент удельного поглощения, показавший безопасность применения конструкции для человека. Итоговые результаты моделирования показали, что ширина полосы импеданса каждого антенного излучателя составляет от 2.6 до 2.7 ГГц и от 3.45 до 3.8 ГГц, которые охватывают резонансные частоты 2.6 ГГц и 3.6 ГГц соответственно
Ключевые слова: технология MIMO, мобильная связь, мобильный телефон, 4G, 5G, излучатель, щелевая антенна, диаграмма направленности, влияние на человека, SAR
Введение
Развитие современных технологий мобильной связи позволяет улучшить качество получения информации из сети Интернет. Сети пятого поколения (5G) способны обеспечить высокоскоростной доступ в интернет с малой задержкой при получении данных, поддержку большого количества подключенных устройств на небольших расстояниях. Одной из самых главных технологий, которая позволяет достичь требуемых показателей, выступает MIMO [1].
Объектом исследования является MIMO антенная решетка, представляющая собой конструкцию, состоящую из четырех одиночных антенных элементов и восьми микрополосковых линий питания [2].
Целью данной работы является разработка многоканальной MIMO-антенны для мобильных телефонов текущего (LTE) и перспективного (5G) поколений систем связи с дальнейшим исследованием её влияния на пользователя.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующий ряд задач:
- выбор формы центрального антенного элемента;
- выбор конфигурации системы MIMO;
- моделирование центрального антенного элемента;
© Жихарев А.М., Ищенко Е.А., Фёдоров С.М., Черноиваненко И.А., 2022
- моделирование конфигурации системы MIMO;
- исследование влияния конструкции на пользователя и SAR;
- создание рабочего прототипа антенны.
Конструкция антенны
Антенна представляет собой двухэлементный щелевой ромбовидный резонатор, построенный по печатной технологии (материал диэлектрика - Fr-4) [3].
Конструкция антенны приводится на рис. 1.
(а) (б)
Рис. 1. Конструкция предлагаемого двухэлементного ромбовидного щелевого излучателя: а) вид сверху; б) вид снизу
Рис. 2. Конструкция предлагаемого двухэлементного ромбовидного щелевого излучателя: вид сбоку
Значения параметров конструкции антенного излучателя
Параметр Значение (мм)
W 24
Wj 15
W2 10.5
g 0.5
L1 7
L2 4.2
L3 2.4
h 1.5
Резонансные частоты антенны в основном определяются длиной окружности используемых ромбовидных прорезей.
Первый резонанс (при 2.6 ГГц) зависит от окружности внешнего ромбовидного кольца.
Второй резонанс (при 3.6 ГГц) зависит от окружности внутреннего ромбовидного кольца.
Таким образом, длина окружности паза кольца должна удовлетворять диэлектрической длине волны в соответствующей частотной точке:
WJ2 + g = W2/2 + g = Хг.
(1) (2)
Применение конструкции с двумя ромбовидными резонаторами позволяет достичь двух рабочих диапазонов, что показывает график Return Loss (рис. 3).
Рис. 3. Возвратные потери при использовании двух резонаторов (сплошная линия) и одного (пунктир)
Полученные результаты моделирования для одиночного антенного элемента с запиткой при помощи двух L-образных линий питания приводятся на рис. 4. При использовании предлагаемого варианта исполнения антенна не только имеет более широкую полосу импеданса, но также демонстрирует высокую изоляцию с низкой характеристикой взаимной связи (менее -20 дБ) в желаемом рабочем диапазоне частот.
Рис. 4. График S-параметров для одиночного антенного элемента
Для наглядной демонстрации двухдиапа-зонного режима работы антенны на рис. 5 приведены картины поверхностных токов. По полученным результатам отчетливо видны два частотных резонанса (2.6 ГГц и 3.6 ГГц).
4;
ist -i j •
t з ■**■
..¿■tf"
• SA
* b/'/У
«"Vе:
H'S t f f f
if rf >'Sf til; >f ''
tVv-»"Л
ь v<. «»
„К, rw .
•t '.....f
>i t ,,----r ; x
> s
ГА '<■,
Vi1 >
• ч . I * .»HI ч '
< , t' J
4
I*}
> A «//i f t a
?V4 • :
.ч.л
ч t '
$ i
'S',tit
(а)
(б)
Рис. 5. Распределение тока при 2.6 ГГц (а) и 3.6 ГГц (б)
Поскольку разрабатываемая антенна предназначена для установки в печатную плату телефона, она должна обладать всесторонней диаграммой направленности, что позволяет обеспечить плавное подключение к базовым станциям [4]. Картины диаграмм направленности приводятся на рис. 6.
(а)
(б)
Рис. 6. Трехмерные изображения диаграмм направленности излучателя на 2.6 ГГц (а) и 3.6 ГГц (б)
Трехмерные диаграммы направленности на обеих рабочих частотах получились практически идентичными, имеют форму «гантелей» и обладают коэффициентом усиления 3-5 дБ.
Для реализации MIMO антенной решетки предлагается установить 4 антенных элемента по углам корпуса устройства (рис. 7), причем расстояния между антенными элементами: Wsub=75 мм; Lsub=150 мм [5].
_Д_П
éi Чр
#Ant. 3 #Ant<
4|
v
(а)
sports tiP
=r.i„. J4=
„ПЯГт17 »PorlSpIT
U T
(6)
Рис. 7. Конфигурация предлагаемого массива MIMO: а) вид сверху; б) вид снизу
Важнейшим параметром MIMO антенной решетки выступает коэффициент корреляции огибающей [6]:
ЕСС =
(1 \^mm\2 \^тп\2)(1 \^nm\2 \^nn\2)
(3)
На основе полученной конструкции был получен график коэффициентов корреляции (рис. 8).
х10
О О ш
f) |\
ЕСС (1,2) ЕСС (1,3) ЕСС (1,4) ЕСС (2,3) ЕСС (2,4) ЕСС (3,4)
2 2.6 3.6 4
Frequency [GHz]
Рис. 8. Смоделированный коэффициент корреляции огибающей (ECC)
На основе полученных результатов видно, что корреляция мала. Таким образом, наблюдается соответствие требованиям стабильной работы MIMO антенной решетки.
Измерение параметров реальной антенны
Для сравнения характеристик антенны при моделировании и реальном исполнении была разработана модель антенны (рис. 9).
(а)
(б)
Рис. 9. Изготовленная антенна-излучатель: а) вид сверху; б) вид снизу
Результаты моделирования и измерения обратных потерь антенны-излучателя показаны на рис. 10. Как видно, при ширине полосы импеданса - 10 дБ антенна может покрывать полосы частот 2.5 - 2.7 ГГц и 3.45 - 3.8 ГГц с лучшими потерями во всех полосах. Кроме того, получено хорошее соответствие между моделированием и измерением. Незначительные
расхождения экспериментальных результатов связаны с тем, что диэлектрик FR-4 обладает высокими потерями, также стоит учитывать погрешность при вытравливании печатной платы и погрешность при монтаже прототипа.
Как показано, антенна имеет низкие значения SAR на 2.6 ГГц и 3.6 ГГц как в режиме покоя, так и в режиме разговора, что демонстрирует безопасность применения предложенной конструкции антенны для человека.
Заключение
В ходе выполнения работы была разработана многодиапазонная восьмипортовая антенна MIMO для смартфонов будущего поколения, охватывающая два спектральных диапазона. Антенна подходит для текущего (4G) и перспективного (5G) поколений систем связи. Для достижения двухдиапазонности в углы печатной платы смартфона интегрированы двухэлементные ромбовидные щелевые излучатели с технологией подачи микрополосковых линий. Ширина полосы импеданса каждого излучателя составляет от 2.6 до 2.7 ГГц и от 3.45 до 3.8 ГГц, охватывающих резонансные частоты 2.6 ГГц и 3.6 ГГц соответственно. Все параметры удовлетворяют требованиям стандарта SAR, соответственно, разработанная конструкция является безопасной для пользователя.
Литература
1. MIMO Antenna Array for 5G Smartphone Application / Y. Liu, Y. Lu, Y. Zhang, S. Gong. 2019. P. 124 - 152. ID: 195222305.
2. Yoshimura Y. A Microstripline Slot Antenna// IEEE Trans. Microwave Theory and Tech. 1972. № 11. Р. 760-762. DOI: 10.1109 / TMTT.1972.1127868.
3. 4G/5G Multiple Antennas for Future Multi-Mode Smartphone Applications/ Y.-L. Ban, С. Li, G. Wu, K.L. Wong// IEEE Access. 2016. № 4. Р. 2981 - 2988. DOI: 10.1109 / ACCESS.2016.2582786.
4. Li Y., Luo Y., Yang G. Multiband 10-Antenna Array for Sub-6 GHz MIMO Applications in 5-G Smartphones// IEEE Access. 2018. № 6. Р. 28041-28053. DOI: 10.1109 / ACCESS.2018.2838337.
5. Printed eight-element MIMO system for compact and thin 5G mobile handsets/ Z. Qin, W. Geyi, М. Zhang, J. Wang// Electron. Lett. 2016. № 52. Р. 416 - 418. DOI: 10.1049 / el.2015.3960.
6. Nadeem Q.U.A., Debbah M., Alouini M.S. Design of 5G Full Dimension Massive MIMO Systems// IEEE Trans. Commun. 2018. № 66. Р. 726 -740. DOI: 10.1109 / TCOMM.2017.2762685.
7. Low SAR phased antenna array for mobile handsets/ #Ant. 1 #Ant. 2 #Ant. 3 #Ant. 4 J. Moustafa, N.J. McEwan, R.A. Abd-Alhameed, P.S. Excell//
Electromagn. Soc. J. 2006. № 21. Р. 196 - 205.
Рис. 12. Смоделированная удельная скорость поглощения (SAR) для каждого антенного элемента при 3.6 ГГц
Поступила 10.01.2022; принята к публикации 15.02.2022
Информация об авторах
Жихарев Александр Михайлович - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия,
Рис. 10. График измеренных (пунктирная линия) и смоделированных (сплошная линия) обратных потерь двухэлементного ромбовидного щелевого излучателя
Исследование SAR для разработанной конструкции
В этом разделе выполняется моделирование характеристики удельной скорости поглощения (SAR). Рис. 11 и 12 иллюстрируют смоделированную характеристику SAR вблизи человеческой головы для разных резонансных частот. В ходе исследования соответствия требованиям стандарта SAR печатная плата смартфона располагалась на расстоянии менее 10 мм от головы пользователя.
#Ant. 1 #Ant. 2 #Ant. 3 #Ant. 4
Рис. 11. Смоделированная удельная скорость поглощения (SAR) для каждого антенного элемента при 2.6 ГГц
г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: gicharev98@mail.ru
Ищенко Евгений Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru
Фёдоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru
Черноиваненко Игорь Александрович - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: chernoivanenko2000@mail.ru
DUAL-BAND SLOT ANTENNA FOR SMARTPHONE WITH MIMO TECHNOLOGIES A.M. Zhikharev, E.A. Ishchenko, S.M. Fyedorov, I.A. Chernoivanenko Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the article considers a multi-band eight-port MIMO antenna array for the fourth (4G) and fifth (5G) generation networks (sub-6 GHz), which allows one to cover two spectral ranges. To achieve multipath, two-element diamond-shaped emitters with microstrip line technology are integrated into the corners of the mobile phone's printed circuit board. Due to the availability of manufacturing a working prototype of the antenna and the ease of integration of the MIMO array into the printed circuit board of the smartphone, the MIMO 4x4 array being developed is implemented on the basis of slot antenna emitters. For the proposed design, we determined the main characteristics of the antenna element: return losses (S-parameters), distribution of surface currents, radiation patterns. To minimize the degree of influence of unaccounted factors, we measured the actual design, and compared the characteristics of the antenna during modeling and real experiment. For the MIMO antenna array, we determined the envelope correlation coefficient and the specific absorption coefficient, which showed the safety of the design for humans. The final simulation results showed that the impedance bandwidth of each antenna emitter ranges from 2.6 to 2.7 GHz and from 3.45 to 3.8 GHz, which cover the resonant frequencies of 2.6 GHz and 3.6 GHz, respectively
Key words: MIMO technology, mobile communication, mobile phone, 4G, 5G, emitter, slot antenna, radiation pattern, influence on a human, SAR
References
1. Liu Y., Lu Y., Zhang Y., Gong S. "MIMO antenna array for 5G smartphone application", 2019, pp. 124-152, ID: 195222305.
2. Yoshimura Y. "A microstripline slot antenna", IEEE Trans. Microw. Theory and Tech., 1972, vol. 11, pp. 760-762, DOI: 10.1109 / TMTT. 1972.1127868.
3. Ban Y.-L., Li C., Wu G., Wong K.L. "4G/5G multiple antennas for future multi-mode smartphone applications", IEEE Access, 2016, vol. 4, pp. 2981-2988, DOI: 10.1109 / ACCESS.2016.2582786.
4. Li Y., Luo Y., Yang G. "Multiband 10-antenna array for Sub-6 GHz MIMO applications in 5-G smartphones", IEEE Access, 2018, vol. 6, pp. 28041-28053, DOI: 10.1109 / ACCESS.2018.2838337.
5. Qin Z., Geyi W., Zhang M., Wang J. "Printed eight-element MIMO system for compact and thin 5G mobile handest", Electron. Lett., 2016, vol. 52, pp. 416-418, DOI: 10.1049 / el.2015.3960.
6. Nadeem Q.U.A., Debbah M., Alouini M.S. "Design of 5G full dimension massive MIMO systems", IEEE Trans. Commun., 2018, vol. 66, pp. 726-740, DOI: 10.1109 / TCOMM.2017.2762685.
7. Moustafa J., McEwan N.J., Abd-Alhameed R.A., Excell P.S. "Low SAR phased antenna array for mobile handsets", Elec-tromagn. Soc. J., 2006, vol. 21, pp. 196-205.
Submitted 10.01.2022; revised 15.02.2022 Information about the authors
Aleksandr M. Zhikharev, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: gicharev98@mail.ru
Evgeniy A. Ishchenko, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru
Sergey M. Fyedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru
Igor' A. Chernoivanenko, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: chernoivanenko2000@mail.ru
