运用XFdtd设计穿戴式智慧装置之双频MIMO天线


 
简介
 
本案例演示一个纺织品材料制作，用于穿戴式装置的双频天线，基础天线本身是个矩形的贴片天线，内部是纺织品，外部由带状的导电胶带包覆，由于天线本身有弹性，故同时建立平放和弯曲两种状态的模型以便于了解形状改变对于天线性能的影响，也进一步做了关于人体的SAR值计算并且得到合格的结果，之后将这些贴片天线组成阵列，并且改变各种配置进行MIMO应用的仿真演示。
 
模型设计与仿真
平放的单体天线
第一阶段先建立平放的单体贴片天线模型，俯视和45度侧视如下图的1a以及1b，天线本身为矩型，里面有一层3mm厚度的毛毡面料作为基板，外面用一层经过特殊处理的并且很薄的导电胶带覆盖使其适合作为天线单元在阵列中使用。

图1 : 俯视图(左,1a)，45度角侧视图(右,1b)
 
用XFdtd仿真这个最基本的天线模型，透过一个宽带的仿真，在2.5GHz和5GHz得到满意的return loss(图二)，而图三则是在多个不同频点贴片表面的稳态磁场，分别是图3a为2.45GHz，3b为5.2GHz，3c为5.5GH，3d为5.8GHz，图四则是三维增益场型，在2.45GHz时为3.4 dBi，5.5GHz为6.7dBi。


图二 : 仿真的return loss结果显示单体贴片天线在2.5 GHz以及5.4 GHz到5.8 GHz的区域有明显的null，并且在高频段有较佳的操作空间。

图三 : 不同频点的稳态磁场分布3a(左上)为2.45GHz，3b (右上) 5.2GHz，3c(左下)5.5 GHz，3d(右下)5.8 GHz。

图四 : 不同频点的增益场型，4a (左)2.45 GHz，4b(右) 5.5 GHz。
 
透过仿真了解天线的基本特性后，进一步计算SAR值，将贴片天线置于由皮肤，脂肪，以及肌肉构成的多层phantom上5mm处进行仿真(图五)，透过仿真可知在当输入功率为0.5瓦时1公克平均SAR(1-gram averaged SAR)值的峰值在2.45GHz时为0.113W/kg，5.5 GH时为0.18W/kg，两者均低于工业标准允许的上限值，同样的输入功率下，10公克平均SAR值为2.45GHz时为0.058W/kg，5.5GHz 时为0.082W/kg，也低于工业标准允许的上限值，图六为在不同频点的SAR值分布。

图五 : 将贴片天线模型置于相当于皮肤，脂肪以及肌肉三层的生体组织模型上进行SAR仿真。

图六 : 输入功率为0.5瓦时，10公克平均SAR值场形图，左图为2.45GHz时的SAR值分布，右图为5.5GHz的SAR值分布。
 
弯曲状态单体贴片天线仿真
在完成平放的贴片天线仿真，并得到满意的结果后，进一步的将模型修改成更接近实际穿戴情况，将原本平放的贴片天线修改成半径40mm和80mm的两个弧形模型(图七为半径40mm对X轴与Y轴弯曲的模型)，从仿真结果可以得知在低频return loss非常接近原本水平的版本，而在高频null的深度以及频点则有变化(图八)，以弧形半径40mm的贴片天线为例，在2.45GHz时，和水平的贴片天线相比，贴片对X轴弯曲时增益从3.4dBi降到2.2dBi，对Y轴弯曲时则降到1.8dBi，而在5.5GHz频点增益场型就变得不一致，而最大增益相较于平放也降低了约2dBi，半径80mm的模型则增益和水平的贴片天线较为接近，不过在2.45GHz时对X轴弯曲的贴片天线最大增益降至2.8dBi，对Y轴弯曲时则降低至2.5dBi，而在5.5GHz时则两者都大约降低1dBi。


图七 : 原本水平的贴片天线被改成类似穿戴后的弧形，右图是对X轴弯曲，半径40mm，左图是对Y轴弯曲，半径40mm。

图八 : 对于各种不同配置(半径40mm/80mm)的模型进行仿真并观察return loss的变化，在低频时和平放的情况较为一致，在高频则变化较大，不过工作区间都很接近。

图九 : 弧形半径为40mm时不同配置的增益场型，左上为2.45GHz时对X轴弯曲的案例，右上为2.45GHz时对Y轴弯曲的案例，左下为5.5GHz时对X轴弯曲的案例，右下为5.5GHz时对Y轴弯曲的案例。

图十 : 弧形半径为80mm时不同配置的增益场型，左上为2.45GHz时对X轴弯曲的案例，右上为2.45GHz时对Y轴弯曲的案例，左下为5.5GHz时对X轴弯曲的案例，右下为5.5GHz时对Y轴弯曲的案例。
 
MIMO 天线阵列(水平放置)
接下来我们把两个基本的贴片天线用不同的方式排列组成一个1*2的MIMO阵列，天线单元间隔为10mm，中间施加良好的隔离确保天线的隔离度，并对6种不同的组合方式进行仿真，天线单元有时同时激发，有时候单独激发，仿真结果可以看出来不同的排列方式会得到很接近的return loss，并且可以从S12看出来在工作频点天线之间保持有良好的隔离效果。

图十一 : 1x2MIMO阵列的六种不同排列方式。

图十二 : 六种不同配置方式的return loss，都非常接近。

图十三 : 用S12值来检视两个天线单元之间的隔离度，所有的配置都显示可以达到或优于-17dB。
 
进一步对图十一中的各种配置做仿真并求得增益场型，从结果得知都有相似的增益场型以及峰值(图十四)，同时进一步的计算远场包络系数(Envelope Correlation Coefficient, ECC)以及复相关系数(Complex Correlation Coefficient)来判断这个阵列是不是能保证良好的分集增益，可以从图表一得知这个指标值都远低于0.5，代表这个天线阵列有良好的表现。


图表一: 六个不同配置的MIMO阵列在2.45 GHz和5.5 GHz 的Envelope Correlation与Complex Correlation Coefficients。

图十四 : 相同配置的天线增益场型(一次激发一个天线体，同时显示两个独立天线体的增益场型)，左图为2.45 GHz的场型，右图为5.5 GHz的场型。
 
接着我们可以透过累积分布函数来看等效全向辐射功率(equivalent/effective isotropic radiated power EIRP)这个指标来评估阵列天线的性能，概念上可以视为看这个配置的阵列天线在整个全球面的范围内达到设计指标的的涵盖范围占多少比例，从图十五可以看出以图十一中的配置B为例，频率在2.45GHz时可以达到在30.2%的球面有输入功率23 dBmW的涵盖率，而同样的输入功率在5.5GHz时则有37.6%的涵盖，而六种不同的配置在2.45GHz时，同样的输入功率平均涵盖率为28.6%，5.5GHz时则为38.3%。

图十五 : EIRP的累积分布函数图，可以标示图十一的阵列配置B在两个频点(2.45 GHz , 5.5 GHz)的涵盖率，在输入功率为23 dBmW时，2.45 GHz有30.2%而5.5 GHz时为37.6%。
 
MIMO 天线阵列 (弯曲)
接着把平放的贴片天线(阵列)弯曲到半径40 mm的弧度，进一步做更接近实际情况的仿真，从仿真的结果可以得知return loss和隔离度(-27dB)都有良好的表现(图十七)，而个别天线体在2.45 GHz和5.5 GHz的增益场型和平放时类似但是增益值减低，远场包络系数也显示良好的性能，在2.45 GHz为6.0e-3, 在5.5GHz时为5.1e-5，复相关系数在这两个频点为7.8e-2和7.1e-3，而EIRP分析则显示在2.45 GHz时23 dBmW输入功率的覆盖率可达32.2%，5.5GHz时则为48.1%。

图十六 : 将图十一的配置B修改成对Y轴弯曲40 mm的弧形。

图十七 : 半径40mm弧形MIMO天线阵列的return loss和隔离度，可以看出在2.5 GHz以及在5.3~5.6 GHz有良好的表现。

图十八 : 弧形MIMO阵列的单天线增益场型。

图十九 : 弧形MIMO天线的EIRP累积分布函数，23 dBmW在2.45 GHz有32.2%的涵盖范围，5.5GHz时有48.1%的涵盖范围。
 
结论
这个范例演示了用XFdtd建立一个以纺织物制作，用于穿戴式装置的双频MIMO阵列天线，从单体的贴片天线开始不断增加复杂度，最后完成了一个有良好性能表现的MIMO阵列天线。
本文翻译/改写自Remcom原厂网站原文” Wearable Dual-Band MIMO Antenna”一文，参考文献为” S. Yan, P. J. Soh, and G. A. E. Vandenbosch, “Dual-Band Textile MIMO Antenna Based on Substrate Integrated Waveguide (SIW) Technology,” IEEE Trans. Antennas and Propagation, vol. 63, no. 11, p. 4640-4647, Nov. 2015.”

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