导言
本示例使用 XFdtd 的 5G 设备设计功能，分析了在智能手机设计中以 4G (860 MHz) 和 5G (28 GHz) 频率近距离工作的两个天线系统的性能和相互作用。 4G 天线旨在产生广覆盖的宽幅图案，而 5G 阵列则应产生窄波束，可通过改变元件之间的相位进行转向。 4G 天线采用倒 L 型设计，位于手机顶部。 5G 天线阵列由四个 Yagi-Uda 元件组成，靠近 4G 天线，但被一个导电块抵消。 本示例中使用的天线设计来自论文 [1]。
设备几何形状
本示例的几何结构基于简化的智能手机 PCB。 如图 1 所示，系统使用 150x70x1 毫米的铜板作为地平面，天线结构安装在一端。 4G 天线直接置于地平面之上，呈倒 L 型，横截面为 1x1 毫米，短腿长 6 毫米，长腿长 70 毫米。 它由接地平面和短脚末端之间的电压源供电。 5G 阵列由四个相同的 Yagi-Uda 元件组成，如图 2 所示。 这些元件安装在 0.3 毫米厚的基板上（介电常数 = 3.6，损耗正切 = 0.006），基板与地平面之间由 2.2 毫米厚的导电块隔开。 基板背面还有一个八木宇田天线的水平元件，如图 3 所示。 每个 5G 元件都由一个节点波导源馈电。
图 1：智能手机设计以三维 CAD 表示，4G 天线和 5G 阵列结构位于大型地平面一端的左侧。
图 2：5G 阵列的 CAD 视图，显示介质基板上的四个 Yagi-Uda 元件，后面是 4G 倒 L 天线。
图 3：天线阵列的底视图显示了 4G 和 5G 元件与基底背面的分离情况。
该结构使用 XFdtd 的PrOGrid Project Optimized Gridding®功能进行网格划分，基本设置为每波长 30 个 FDTD 单元。 定义了最小特征尺寸，以确保基底有五个 FDTD 单元的厚度，最小导体特征有五个单元的宽度。 自动固定点也应用于所有部件，以确保网格线位于几何体的所有边缘。
成果
4G 天线由宽带源馈电，宽带源最初表现为连接在地平面和天线基座之间的 50 欧姆电压源。 天线与 50 欧姆电压源匹配不佳，导致回波损耗较低。 在初步模拟确定天线负载阻抗后，可定义匹配电路以改善天线性能。 在这种情况下，选择使用由两个电容器和一个电感器组成的低通 PI 匹配网络，并使用分析匹配电路计算器确定元件值。 匹配网络元件以 SPICE 网表格式定义，然后作为子电路导入XFdtd，如图 4 所示。 然后，该子电路可作为匹配电路添加到 XFdtd 电压源中（图 5）。 在程序执行过程中，FDTD 全波计算和电路求解器将在包含匹配电路的单元边沿的每个时间步进行联合模拟。 计算空间的其余部分则进行正常的全波 FDTD 仿真。 图 6 显示了未匹配和已匹配 4G 天线的回波损耗图，可以看出匹配电路明显改善了回波损耗。 图 7 显示了 4G 天线的增益，可以看出增益峰值为 2.7 dBi，覆盖范围很广。
图 4：4G 天线所用匹配电路的网表菜单。网表包含两个电容器和一个电感器。
图 5：所示为 XFdtd 中的电压源菜单，该端口带有用于 4G 天线的匹配电路。
图 6：未匹配和匹配 4G 天线的回波损耗对比。
图 7：4G 天线的 3D 增益模式显示设备周围的覆盖范围相当均匀，峰值增益为 2.7 dBi。
改变 5G 天线阵列相对于 4G 天线的方向，以确定定位对每个天线性能的影响。 考虑了三种配置，如图 8 所示：移动 5G 阵列，使 5G 天线顶端比 4G 天线顶端低 2 毫米；保持 5G 和 4G 天线顶端在同一水平；或将 5G 阵列向上移动 2 毫米。 在这些初始情况下，5G 阵元之间的相移保持为零。 图 9 和图 10 显示了偏移的影响，可以看出 5G 阵列向下偏移 2 毫米对 XY 平面和 YZ 平面的增益模式都有明显影响。 将 5G 阵列向上移动 2 毫米所产生的图案与将 4G 天线从几何图形中完全移除时的图案相似。 当 4G 和 5G 天线的顶部对齐时，5G 天线的图案会受到轻微影响。 如图 11 所示，在所有情况下，4G 天线图案都只受到轻微影响。
图 8：考虑了 5G 阵列相对于 4G 天线的三种不同配置（从左到右）：5G 天线顶端偏移比 4G 天线低 2 毫米，5G 天线顶端与 4G 天线均匀对齐，5G 天线顶端偏移比 4G 天线高 2 毫米。
图 9：所示为 5G 阵列在 XY 平面上的增益模式图，元素之间的相移为零。可以看出，当 5G 阵列在 4G 天线上方偏移 2 毫米时，其模式与从几何图形中移除 4G 天线时相似。当 4G 和 5G 天线的顶部对齐时，也会发现类似的图案。当 5G 天线在 4G 天线下方偏移 2 毫米时，5G 图案会受到明显影响。
图 10：5G 阵列在 YZ 平面上的增益模式图，元素之间的相位偏移为零，在偏移量高于 4G 天线 2 毫米的情况下，结果与移除 4G 天线的情况相似。当天线顶部对齐时，5G 阵列模式会受到一些影响，而当 5G 天线偏移到 4G 天线下方 2 毫米处时，影响会更大。
图 11：4G 天线在 XY 平面上的增益模式只受到 5G 天线阵列移动的轻微影响。
接下来，5G 天线阵列由 28 GHz 正弦信号源馈电，在 5G 阵列位于 4G 天线上方 2 毫米处的配置中，各元件具有相等的振幅和可变的相移。 当阵列的所有元件相位相同时，产生的图案峰值增益约为 12.5 dBi，3 dB 波束宽度为 17 度，峰值边瓣电平低于 0 dBi（图 12）。 如图 13 所示，在 5G 阵列的每个元件之间应用 120 度相移后，波束向一侧扫描 24.5 度。 对馈电施加 -180 度、-120 度、-60 度、0 度、60 度和 120 度的相移后，阵列产生一系列波束，如图 14 所示，所有波束同时绘制。
图 12：元件间相移为零的 5G 阵列增益模式显示，XY 平面上的波束峰值增益为 12.5 dBi，波束宽度为 17 度。
图 13：元件间相移 120 度的 5G 阵列增益模式显示光束在 XY 平面上倾斜 24.5 度。
图 14：5G 阵列的六种可能波束以三维和二维增益模式显示，元素之间的相移分别为 180 度、120 度、60 度、0 度、-60 度和-120 度。
摘要
针对 5G 阵列相对于 4G 天线的不同配置，在 28 GHz 频率下对配备 4G 天线和 5G 阵列的简化智能手机设备进行了评估。 最佳配置是 5G 天线相对于 4G 天线垂直偏移 2 毫米，结果表明 4G 和 5G 元件之间几乎没有相互作用。
参考资料
[1] T. Yamagajo、Y. Koga、M. Kai、T. Tonooka、H. Sumi 和 M. Hoshino，"面向未来智能手机的诺贝尔 4G 和 5G 天线解决方案"，IEEE 天线与传播学会 Int.Symp., pp.
