[论文解读] 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 22

一句话总结

本文提出一种六边形物理人体体模，用于在5G移动电话上对28 GHz毫米波波束成形天线阵列进行可重复的实测评估。通过将实测的实用增益图与基于真实人体模型的数值仿真结果进行对比，研究验证了该体模能够准确复现球面覆盖统计特性，重复测量中差异小于1 dB，证实其在真实人体效应影响下具备稳健的天线阵列测试适用性。

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.

研究动机与目标

• 为解决在真实人体效应影响下，5G毫米波天线性能评估缺乏可重复、标准化方法的问题。
• 开发一种具有简化六边形截面的物理人体体模，以准确复现28 GHz频段下人体的电磁散射特性。
• 通过将实验测量结果与基于真实人体模型的数值仿真进行对比，验证体模的准确性。
• 展示在自由空间和人体影响条件下，利用物理体模进行天线阵列测量的可重复性与可靠性。
• 建立适用于设备一致性测试及毫米波频段天线阵列设计对比评估的实用测试框架。

提出的方法

• 在CST Microwave Studio中构建数值人体模型，使用表面阻抗表示28 GHz频段下皮肤的电磁特性，采用FTDT和表面积分方程求解器。
• 制作具有介电材料层的物理六边形人体体模，以模拟人体皮肤，设计目标为匹配数值模型的电磁散射特性。
• 在与手机尺寸相当的机箱上集成共置的2×4元素双极化贴片天线阵列，两个模块分别置于相对两侧，以最大化空间分集增益。
• 采用等效近场源方法解耦天线馈电与人体相互作用的仿真，实现精确的散射场计算。
• 采用校准探针天线的远场测量系统，借助3D测量塔捕获2048个合成波束模式下的球面覆盖实测增益。
• 从实测数据中去除馈电线损，以实现与仿真增益的直接对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 简化后的六边形物理人体体模能否准确复现真实人体在28 GHz频段下的实测增益球面覆盖特性？
• RQ2 使用物理体模进行的实验测量结果与基于完整3D人体模型的数值仿真结果之间的匹配程度如何？
• RQ3 在物理人体体模影响下，天线阵列测量的可重复性如何？
• RQ4 测量不确定性因素（如测量塔遮挡和相位中心偏移）对球面覆盖统计精度的影响有多大？
• RQ5 人体体模的存在对相控阵列的最大实测增益和覆盖性能的影响程度如何？

主要发现

• 在自由空间中，天线阵列实测的球面覆盖累积分布函数（CDF）与仿真结果在概率水平0.7以上基本一致，0.1中断概率水平下仅存在2.2 dB差异，主要源于测量中使用吸波材料。
• 在人体体模存在条件下，中位实测增益保持在4.5 dBi以上，实测与仿真CDF在峰值增益处差异仅0.3 dB，0.1中断概率水平下差异为3 dB。
• 两次重复测量中，体模条件下的CDF整体差异小于1 dB，证实了测量具有高度可重复性。
• 与数值模型相比，物理体模在φ = 270°附近引起略宽的阴影区域（约宽7°），可能源于体模宽度的尺寸差异。
• 在θ = 135°附近实测增益低于仿真值，主要由于天线位置偏差；在θ = ±180°附近则因测量塔遮挡导致增益降低，共同导致最大0.6 dB的幅度不确定性。
• 本研究证实，六边形人体体模可实现对毫米波天线阵列的可重复、准确且可靠的评估，仿真与实验结果具有良好一致性。