運用XFdtd 進行140 GHz 6G 陣列天綫設計與模擬

原文PDF: 點我下載
 
簡介
這個範例演示使用XFdtd建模及模擬一組用于140GHz頻率的6G無綫通信天綫陣列，整體是一個8×8的天綫陣列，構成陣列的基本天綫單元爲在低溫共燒陶瓷結構(LTCC)中的TE340模態基片集成腔(SIC)2×2縫隙天綫陣列，預計在130至145GHz頻段內工作，增益峰值爲20.5dBi，工作頻段內有穩定的輻射場型，效率維持在60%附近，具有尺寸小結構簡單的特性，天綫參照文末列舉的參考資料中的設計。
 
模型設計與模擬
這個8×8的陣列中的天綫單元由兩種H橋基片集成功率分配器連接起來，每一個單元外觀如圖一，由被Ferro A6M (dielectric constant 5.9, loss tangent 0.002) 材料製作的LTCC基片分隔的四片金屬構成，頂層有兩個可見透孔構成的TE210模態SIC (圖一及圖二)，圖二也呈現了第二個金屬層的四個槽狀輻射體，圖三以及圖四可以看到後面兩層的結構。


圖一: A three-dimensional CAD rendering of the SIC excited 2x2 antenna element is shown with metal layers in green and LTCC layers in red.


圖二: The top layer cavity of the antenna element is shown with the four radiating elements in metal layer #2 feeding into the TE210 mode substrate integrated cavities.


圖三: The TE340 mode SIC above metal layer #3 is shown with the feeding slot in the center and the two matching posts above and below the slot.


圖四: The input is fed into the antenna through a feed layer above metal layer #4, which contains a SIW region and a matching post below the feed slot of metal layer #3 (not shown).


圖五: 單一2×2天綫單元的回波損耗(return loss)曲綫可以看出在132 GHz到146 GHz 範圍有-10dB的良好表現。
 
從模擬的回波損耗(圖五)可以得知天綫單元在131.63 GHz至 146.45 GHz有良好表現，圖六則是在天綫單元上方一個特定點的增益值對頻率的曲綫，在工作頻率範圍內爲9~11.5dBi，圖七至圖十則是131GHz, 135GHz, 140 GHz, 以及147GHz這四個頻點在兩個主平面上的增益圖，可以看出天綫在工作頻率範圍內有很穩定的表現。


圖六: 在天綫上方取一個點量測的增益值，工作頻率範圍內落在9dBi至11.5 dBi。

圖七:  在131 GHz的增益圖。

圖八: 在135 GHz 的增益圖。

圖九: 在 140 GHz的增益圖

圖十：在147GHz的增益圖
 
我們使用兩個層次的H橋功率分配器來建立陣列，包含一個輸入端口位于中央並帶有四個輸出端口的主要H橋功率分配器，以及鏈接著主要H橋功率分配器輸出端口並連接著天綫的次級H橋，圖十一爲建立在基片集成波導(Substrate integrated waveguide, SIW)的主H橋，在XFdtd中我們使用波導端口 ( Waveguide port ) 在主H橋的輸入和輸出端口作爲激勵，模擬結果顯示在120 Ghz至150 GHz頻段回波損耗低于-10dB (圖12)，圖13爲次級H橋，輸入端口在中央，另有四個連接到圖一的天綫單元的輸出端口，圖14爲模擬結果，在120 GHz至150GHz頻段次級H橋的回波損耗也低于-10dB。


圖十一: 負責將輸入信號分配到四個次級H橋的主要H橋，輸入端口在中央下方，另有四個輸出端口在四個角落。

圖十二: 主要H橋的回波損耗模擬結果。

圖十三: 負責將來自主H橋的輸出信號分配到四個天綫單元的次級H橋，輸入端口在中央下方，另有四個連接天綫的輸出端口在四個角落。

圖十四: 次級H橋的回波損耗模擬結果
 
圖十五爲用于最終組成8×8天綫陣列的H橋組合配置，天綫單元置于四個次級H橋的四個輸出端口，接著整個結構被置于一個25 x 10 x 0.616 mm的基板上，天綫陣列在基板的一端，並設置一個waveguide port在連接到主H橋輸入端口的基片集成波導上，圖十六爲整體外觀，圖十七爲天綫陣列的俯視圖。


圖十五: 由主要(紅色)及次級(綠色)H橋組成的完整功率分配器全圖。

圖十六: 至于25x10 mm基板上的完整8x8 陣列天綫結構。

圖十七: 8×8陣列天綫俯視圖。

圖十八: 整個陣列的回波損耗在130GHz至146GHz的頻段區間都低于-10dB。

圖十九: 在天綫陣列上方一個點的在工作頻段內的增益值。

圖二十: 在頻率131GHz主平面的增益對角度曲綫，可以看到旁瓣低于主瓣10dB以及低交叉極化增益的特性。
 
天綫陣列整體的回波損耗在130GHz至146GHz頻率範圍內低于-10dB(圖18)，在陣列上方的量測點得到的增益值在130 Ghz及146 Ghz時爲19.5dBi, 峰值在140 Ghz, 約爲21dBi (圖19), 關于主平面130GHz的增益曲綫可見于圖20，主瓣峰值在0度方向，旁瓣至少比主瓣低10dB, 圖 20至圖23則是主平面上131 GHz, 135GHz, 140 GHz, 144GHz等頻點的增益對角度曲綫，可以看到有相似的特性，圖24至圖27則是以上幾個頻點的三維增益場型圖，圖28爲效率對頻率曲綫，可以看到在工作頻率範圍內都有接近60%的效率。


圖二十一: 135GHz頻率主平面上的增益對角度曲綫，和131GHz的曲綫相當類似。

圖二十三: 在最高的頻點144 GHz,增益對角度曲綫仍然和其他頻點高度一致。


圖二十四: 131 GHz 頻率的三維增益場型圖。

圖二十五 : 135 GHz 頻率的三維增益場型圖，和131GHz的三維場型高度相似。

圖二十六 : 140 GHz 頻率的三維增益場型圖，和之前頻點的三維場型高度相似。

圖二十七: 144 GHz 頻率的三維增益場型圖，和之前頻點的三維場型高度相似。

圖二十八: 天綫效率在工作頻率範圍內都接近60%。
 
結論
這個範例演示了用XFdtd建立一個用于140 GHz頻率8×8的天綫陣列模型進行模擬，結果顯示在工作頻率範圍內有穩定且良好的效能表現，從模擬結果可以得知這個天綫適合用在6G無綫通信應用上。
 
參考資料來源：
J. Xiao, X. Li, Z. Qi and H. Zhu, "140-GHz TE340 -Mode Substrate Integrated Cavities-Fed Slot Antenna Array in LTCC," in IEEE Access, vol. 7, pp. 26307-26313, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2900989.
 

如果您要申請試用或需要更詳細的資訊和諮詢，歡迎至聯絡我們的頁面留下您的信息，我們會儘快提供服務，也可以拜訪我們的臉書社群
大陸的訪客如果需要進一步的在線詢問各種信息，或是尋求技術支援服務或詢價可以拜訪我們代理商南京任康科技的網站或是透過QQ或微信聯繫我們

微信公众号 ：Remcom仿真模拟世界
Wechat ID ：CAEsoftware0822
Q群名稱 : REMCOM仿真软件信息
QQ群號 : 439531441