本示例演示了用于可穿戴设备（如虚拟现实头盔）无线通信的 5G 60 GHz 应用的天线阵列模拟。本例中的天线设计来自汉阳大学 Hong 和 Choi 的论文[1]。阵列由四个元件组成，每个元件有两个贴片和一个寄生元件。寄生元件有助于在一个维度上产生更宽的波束，从而提供更好的覆盖范围。可通过改变元件之间的相移来引导波束，以提供接近半球形的覆盖范围。
拟议的阵列设计如图 1 所示，其中红色材料代表基板（Taconic TLY，相对介电常数为 2.2，损耗正切为 0.0009），绿色材料为铜。天线的底层是基板，下面是接地平面。这一层的顶端是 50 欧姆的馈电线，在到达第一个贴片之前要经过阻抗匹配，然后一条 70 欧姆的线连接到第二个贴片。这些贴片元件被另一层基底层覆盖，该层顶部是与 70 欧姆线路垂直的寄生元件。从图 2 结构的三维视图中可以看到第二层。这些元件的间距为半个波长，由具有可变相位的节点波导端口馈电。
图 1：所示为天线阵列的俯视图，红色为衬底层，绿色为金属馈线和寄生元件。贴片显示为轮廓，因为它们被第二层衬底覆盖。
图 2：天线阵列的三维图，顶部衬底层的边缘在贴片上更加明显。阵列顶部可见四个节点波导馈电端口。
最初，天线阵列是单独模拟的，用于回波损耗和增益模式分析。在计算 S 参数时，每个端口都单独进行模拟，其他端口则以 50 欧姆负载端接。每个端口的回波损耗结果如图 3 所示，每个端口的响应都与其他端口十分相似。模拟还在没有寄生元件的情况下进行，以显示加入寄生元件对回波损耗的影响。从图 3 中可以看出，寄生元件使天线的共振频率升高，并减小了 S11 null 的深度。如图 4 所示，在所有端口都处于激活状态且相位一致的情况下对天线进行仿真，计算出宽边增益模式。从图中可以看出，在没有寄生元件的情况下，图案在 +/- 40 度附近有较深的空点，这是不理想的。加入寄生元件后，空洞减少，阵列产生了宽扇形波束。图 5 更好地展示了这种波束的三维效果，可以看到垂直方向的图案很宽，而水平方向的图案很窄（3 分贝波束宽度为 24 度）。
图 3：阵列中每个元件的回波损耗非常相似。增加寄生元件后，响应频率升高，空深度减小。
图 4：在包含寄生元件的情况下，阵列宽边的增益模式相当宽。如果没有寄生元件，图案中会出现不希望出现的空点。
图 5：等相位情况下的三维增益模式显示，增益峰值位于扇形模式的一侧。
通过改变元件之间的相位，该阵列可以实现光束转向。在图 6 中，该阵列通过在元件之间施加 90 度的相移，将光束转向水平方向约 30 度。在图 7 中，通过以 30 度为单位从-90 到 90 的相移变化，显示了七种可能的光束。
图 6：天线元件之间的相位偏移为 90 度时，波束向侧面偏移约 30 度。
图 7：以 30 度为增量，将相移从-90 度扫到 90 度，可产生七束光，覆盖广阔的区域。
接下来，天线阵列被安装在虚拟现实头戴式设备的幻象头部，以演示可能的应用，如图 8 所示。由于 60 GHz 频率下的头部非常大，图 9 所示的总问题空间的一部分实际上是为演示而模拟的。图 10 显示了阵列的主波束（所有元件同相）与头戴式耳机和模型的对比。如图 11 所示，当在元件之间施加 90 度相位偏移时，光束向一侧偏移约 30 度。图 12 展示了同时出现的两个光束。
在这些应用中，模型表面的耗散功率也很重要，它可以通过XFdtd 计算出来。图 13 显示了在幻影模型的评估表面上来自耳机安装阵列的耗散功率。
图 8：天线阵列安装在虚拟现实头戴设备上。头戴式耳机安装在幻象头部模型上。
图 9：由于问题空间较大，实际模拟使用的是耳麦/头部模型的一部分。
图 10：所示为所有元件同相情况下的计算增益模式，增益接近 15 dBi，波束呈扇形。
图 11：在元件之间进行 90 度相移后，光束向侧面偏移了约 30 度。
图 12：该图像显示了 0 度和 90 度相移的两束光。
图 13：软件计算并显示辐射阵列在头部模型表面的耗散功率。
参考资料
[1] Y. Hong 和 J. Choi，"面向毫米波 5G 可穿戴应用的 60 GHz 阵列天线"，2018 IEEE 天线与传播国际研讨会暨 USNC/URSI 国家无线电科学会议，第 1207-1208 页，2018 年。