[論文レビュー] Empirical Evaluation of a 28 GHz Antenna Array on a 5G Mobile Phone Using a Body Phantom

Lauri Vähä-Savo, Christian Cziezerski+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2020

Antenna Design and Analysis参考文献 33被引用数 22

ひとこと要約

本稿では、5Gモバイル端末用28 GHzミリ波アンテナアレイの繰り返し可能な実験的評価を可能にする六角形の物理的人体アンテナホモグラムを提示する。実際の人体モデルを用いた数値シミュレーションと測定された実効利得パターンを比較することで、本研究はホモグラムが球面カバレッジ統計を正確に再現することを検証し、繰り返し測定において1 dB未満の変動を示し、実際の人体効果を考慮した堅牢なアンテナアレイ評価の適性を確認した。

ABSTRACT

Implementation of an antenna array on a 5G mobile phone chassis is crucial in ensuring the radio link quality especially at millimeter-waves. However, we generally lack the ability to design antennas under practical operational conditions involving body effects of a mobile user in a repeatable manner. We developed numerical and physical phantoms of a human body for evaluation of mobile handset antennas at 28 GHz. While the numerical phantom retains a realistic and accurate body shape, our physical phantom has much simpler hexagonal cross-section to represent a body. Gains of the phased antenna array configuration on a mobile phone chassis, called co-located array is numerically and experimentally evaluated. The array is formed by placing two sets of 4-element dual-polarized patch antenna arrays, called two modules, at two locations of a mobile phone chassis. Modules are intended to collect the maximum amount of energy to the single transceiver chain. Spherical coverage of the realized gain by the array shows that the experimental statistics of the realized gains across entire solid angles agree with numerical simulations. We thereby demonstrate that our antenna evaluation method reproduces the reality and our phantom serves repeatable tests of antenna array prototypes at 28 GHz.

研究の動機と目的

• 実際の人体効果を考慮した5G mmWaveアンテナ性能評価のための繰り返し可能で標準化された手法の不足に対処すること。
• 28 GHzにおける人体からの電磁界散乱を正確に再現できる、簡素化された六角形断面を持つ物理的人体ホモグラムの開発。
• 実際の人体モデルを用いた数値シミュレーションと実験的測定を比較することで、ホモグラムの正確性を検証すること。
• 物理的ホモグラムを用いたアンテナアレイ測定の再現性と信頼性を、自由空間および人体影響下の両状況で示すこと。
• mmWave周波数帯におけるデバイス適合性テストおよびアンテナアレイ設計の比較評価のための実用的テストフレームワークを確立すること。

提案手法

• CST Microwave Studioを用いて、28 GHzにおける皮膚の表面インピーダンスを表現する数値人体モデルを構築し、FTDTおよび表面積分方程式ソルバーを用いて解析。
• 人体の電磁界散乱を再現するように設計された誘電体材料層を備えた物理的六角形人体ホモグラムの作成。
• 空間的ダイバーシティを最大化するために、反対側に2つのモジュールを配置した、モバイル端末サイズのシャーシに統合された2×4要素の双極性パッチアンテナアレイの実装。
• アンテナフィードと人体相互作用のシミュレーションを分離するため、等価近似近場源を用い、正確な散乱場計算を可能にした。
• 校正済みプローブアンテナを用いた遠方場測定セットアップで、3次元測定タワーを用いて2048個の合成ビームパターンにおける実効利得の球面カバレッジを測定。
• 測定データからフィードライン損失を除去することで、シミュレートされた利得との直接比較を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 簡素化された六角形物理的人体ホモグラムは、28 GHzにおける実際の人間の人体からの実効利得パターンの球面カバレッジを正確に再現できるか？
• RQ2 物理的ホモグラムを用いた実験的測定結果は、3次元人体モデルを用いた数値シミュレーションとどの程度一致するか？
• RQ3 物理的人体ホモグラムの影響下におけるアンテナアレイ測定の再現性はいかがなっているか？
• RQ4 タワーシャドウイングや位相中心のずれといった測定不確実性要因が、球面カバレッジ統計の正確性にどのように影響するか？
• RQ5 人体ホモグラムの存在が、フェーズドアレイの最大実効利得およびカバレッジ性能にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• 自由空間下では、アンテナアレイの測定された球面カバレッジのCDFは、シミュレーションのCDFと0.7確率レベル以上で一致し、0.1アウラージュレベルで2.2 dBの差異を示すが、主に測定で使用された吸収材の影響によるものである。
• 人体ホモグラムを装着した状態では、中央値実効利得が4.5 dBi以上を維持し、測定値とシミュレーションのCDFはピーク利得で0.3 dB、0.1アウラージュレベルで3 dBの差異に留まる。
• ホモグラムを用いた2回の繰り返し測定では、CDF全体で1 dB未満の差異が確認され、測定の高い再現性を裏付けた。
• 物理的ホモグラムは、数値モデルと比較してφ = 270°付近でわずかに広いシャドウイング領域（約7°広がり）を示すが、これはホモグラムの幅の寸法差異に起因すると考えられる。
• θ = 135°付近の測定利得はアンテナの位置ずれ、θ = ±180°付近の測定利得はタワーシャドウイングの影響により、シミュレーションより低く、最大で0.6 dBの振幅不確実性を寄与する。
• 本研究は、六角形人体ホモグラムが、シミュレーションと実験の間に良好な一致を示すとともに、繰り返し可能で正確かつ信頼性の高いmmWaveアンテナアレイ評価を可能にすることを確認した。