A Compact Broadband Dual-Polarized Antenna for OTA Testing of Sub-6 GHz 5G New Radio

Abstract

Впровадження антенних решіток, формування променя та зв’язку на міліметрових хвилях у мережі 5G вимагає нового підходу до тестування радіопродуктивності пристроїв. Бездротове тестування є практичним рішенням для вимірювання радіопродуктивності бездротових систем нового покоління. У цьому документі представлено аналіз і дизайн подвійної поляризованої антени Vivaldi для бездротового тестування базової станції 5G для частотного діапазону від 1,4 ГГц до 6 ГГц. Розроблена антена складається з двох елементів, розташованих ортогонально. Змодельовано два прототипи антени Вівальді з подвійною поляризацією: одна зі зміщенням між елементами антени, а інша — без зміщення між елементами антени. Широкосмугова антена в основному характеризується прийнятним коефіцієнтом відбиття (S11) у бажаній робочій смузі пропускання. Результати моделювання показують, що S11 менше –10 дБ у діапазоні частот від 1,4 до 6 ГГц в обох прототипах. Симулятор CST Studio Suite EM використовується для створення та моделювання запропонованої антени з використанням підкладки Rogers RO4350B, яка має загальний розмір 86 x 90 x 0.5 мм3. Запропонована антена буде використовуватися на стороні UE всередині безехової камери для тестування базової станції 5G по повітрю щодо пропускної здатності та мобільності. Компактний розмір і низька вартість є ключовими характеристиками цієї антени. Низька вартість досягається використанням дешевого діелектричного матеріалу.

The implementation of antenna arrays, beamforming, and millimeter-wave communication in a 5G network requires a novel approach to testing the radio performance of the devices. Over-the-air testing is a practical solution for measuring the radio performance of next-generation wireless systems. This paper presents the analysis and design of the dual-polarized Vivaldi antenna for over-the-air testing of a 5G base station for the frequency range spanning from 1.4 GHz to 6 GHz. The designed antenna consists of two elements arranged in an orthogonal fashion. The two dual-polarized Vivaldi antenna prototypes are modeled: one with an offset between the antenna elements and the other without an offset between the antenna elements. The wideband antenna is mainly characterized by an acceptable reflection coefficient (S11) over the desired operational bandwidth. The simulation results show S11 less than –10 dB across 1.4 to 6 GHz frequency range in both prototypes. The CST Studio Suite EM simulator is used to create and simulate the proposed antenna utilizing the Rogers RO4350B substrate, which has an overall size of 86 x 90 x 0.5 mm3. The proposed antenna will be used at the UE side inside the anechoic chamber to test 5G base station over the air in terms of throughput and mobility. The compact size and low cost are the key features of this antenna. Low cost is achieved by using cheap dielectric material.