Konfigurierbare Array-Antennensimulation für Basisstationen

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Ein in der Literatur verfügbarer MIMO-Antennendesign[1] wird erstellt und simuliert in XFdtd um Rückflussdämpfungs-, Kopplungs- und Verstärkungsmuster für mehrere verschiedene Konfigurationen und Betriebsarten des Geräts zu erzeugen. Die Antenne ist für den Betrieb zwischen 1,7 - 2,2 GHz vorgesehen, um gleichzeitig mit horizontalen und vertikalen polarisierten Mustern zu arbeiten und strahlformung oder omnidirektionale Muster zu ermöglichen. Der Verwendungszweck dieser Antenne ist für Basisstationen.

Das Gesamtbild Antennendesign ist in Figur 1 dargestellt und besteht aus drei Abschnitten: einer mittleren Scheibe aus vier magnetischen Dipolen, die ein horizontal polarisiertes Muster erzeugen, und einer oberen und unteren Masseebene, die jeweils vier elektrische Monopole für vertikal polarisierte Muster aufweisen. Die Mittelscheibe der magnetischen Dipole ist in Figur 2 und die untere Anordnung der elektrischen Monopole in Figur 3 dargestellt. Eine obere Reihe von elektrischen Monopolen ist das Spiegelbild des unteren und ist um 180 Grad versetzt von der unteren Reihe, um eine konstruktive Ergänzung der Muster zu gewährleisten. Die Außenmaße des gesamten Gerätes betragen ca. 170x170x150 mm.

Abbildung 1: Gezeigt ist eine dreidimensionale CAD-Darstellung der Antennenanordnung mit elektrischen Monopolarrays über kreisförmigen Masseflächen an der Ober- und Unterseite der Vorrichtung und einer flachen, vierteiligen, magnetischen Dipolanordnung in der Mitte. Das Goldmaterial repräsentiert Kupfer, während das rote Material FR-4 ist.

Abbildung 2: Eine detaillierte Ansicht der zentralen magnetischen Dipolanordnung ist dargestellt. Die vier Elemente werden auf die Ober- und Unterseite des Trägermaterials gedruckt und in den Zentren zugeführt.

Abbildung 3: Die untere elektrische Monopolanordnung ist mit den vier Elementen auf der kreisförmigen Grundplatte dargestellt. Auf der Innenseite jedes Elements befindet sich ein kleiner Zuführpatch.

Die Antenne wird mit jeweils einem aktiven Port simuliert, um Rückflussdämpfungsdiagramme zu erzeugen. Die Rückflussdämpfung für die Elektromonopole ist in Abbildung 4 unter -10 dB von ca. 1,7 bis 2,2 GHz zu sehen. Ebenso ist die Rückflussdämpfung für die magnetischen Dipole in Abbildung 5 mit guter Leistung über den interessierenden Frequenzbereich dargestellt. Die Kopplung zwischen den Elementen in den elektrischen Dipolanordnungen (Abbildung 6) ist am höchsten, aber immer noch unter -10 dB, zwischen den dem gespeisten Element benachbarten Elementen und unter -20 dB für die gespiegelten Elemente auf der gegenüberliegenden Seite der Vorrichtung. Die Kopplung der magnetischen Dipole (Abbildung 7) liegt bei allen Elementen mit und unter -20 dB bei den diagonal gegenüberliegenden Antennen unter -10 dB.

Abbildung 4: Die Rückflussdämpfung für jedes der Elektromonopole zeigt eine gute Leistung über das 1,7-2,2 GHz-Band.

Abbildung 5: Die Rückflussdämpfung für die Magnetdipole zeigt eine gute Performance über das 1,7-2,2 GHz-Band.

Abbildung 6: Die Kopplung zwischen den Elementen der elektrischen Monopolarrays bleibt bei allen Elementen mit der höchsten Kopplung zwischen den an die Einspeisung angrenzenden Elementen unter -10 dB und bei den Elementen am anderen Ende der Vorrichtung wie erwartet deutlich niedriger.

Abbildung 7: Die Kopplung zwischen den Elementen der magnetischen Dipolanordnung liegt unter -10 dB und viel niedriger für das diagonal gegenüberliegende Element.

Abbildung 8: Das dreidimensionale Muster der horizontalen Anordnung (Magnetdipole) zeigt ein einheitliches Muster im OMNI-Modus. Das Bild ist bei 1,7 GHz, aber andere Frequenzen sind ähnlich.

Das Gerät ist in der Lage, in Abhängigkeit von der Phasenlage der Elemente in zahlreichen Modi zu arbeiten und kann aus den einzelnen Arrays horizontal und vertikal polarisierte Muster erzeugen. Wenn alle Elemente in Phase zugeführt werden, ist das erzeugte Muster omnidirektional, wie in Figur 8 für das horizontal polarisierte Muster, das von der zentralen magnetischen Dipolanordnung bei 1,7 GHz erzeugt wird, dargestellt. Ein zweidimensionales Diagramm des Musters durch die Mitte der Vorrichtung ist in Abbildung 9 dargestellt, wo man sehen kann, dass eine gute Gleichmäßigkeit des Musters vorliegt. Ebenso werden die vertikal polarisierten Muster der elektrischen Monopolelemente im omnidirektionalen Modus bei 1,7 GHz in Figur 10 dreidimensional und in Figur 11 zweidimensional dargestellt. Wenn beide Arrays gleichzeitig aktiv sind, werden sowohl horizontale als auch vertikale Polarisationen erzeugt, wie in Abbildung 12 für einen azimutalen Schnitt bei 1,7 GHz dargestellt. 

Abbildung 9: In der azimutalen Ebene um das Gerät herum ist die horizontale Polarisation (Phi) für den Fall der magnetischen Dipolanordnung im OMNI-Modus ziemlich einheitlich.

Abbildung 10: Die vertikalen elektrischen Monopolarrays erzeugen wie erwartet ein einheitliches Muster im OMNI-Modus. Im Muster bei 1,7 GHz dargestellt.

Abbildung 11: Ein azimutaler Schnitt des Musters bei 1,7 GHz zeigt eine gleichmäßige Verstärkung der vertikalen Polarisation (Theta) für die elektrische Monopolanordnung im OMNI-Modus.

Abbildung 12: Im Dual-Polarisations OMNI-Modus werden beide Arrays gespeist und sowohl horizontale als auch vertikale Polarisationen erzeugt. Das Bild zeigt einen azimutalen Schnitt durch das Muster bei 1,7 GHz und sowohl das vertikale als auch das horizontale Muster werden als gleichmäßig angesehen.

Um Strahlen in eine bestimmte Richtung, den sogenannten Sector Mode, zu erzeugen, muss die Phasenlage zwischen den Antennenelementen angepasst werden. Mit einem Phasenszenario von[0, 90, 180, 90], das auf die Einspeisungen jedes Arrays angewendet wird (180 Grad Versatz zwischen oberen und unteren elektrischen Monopolarrays), fokussiert das Sektormuster einen Strahl auf eine Seite. Eine dreidimensionale Ansicht des erzeugten Musters ist in Abbildung 13 für das Sektormodusmuster bei 2 GHz dargestellt, während ein zweidimensionaler Azimutschnitt in Abbildung 14 dargestellt ist. 

Abbildung 13: Beim Betrieb im SECTOR-Modus werden die Antennenspeisungen phasenversetzt, um einen Strahl in eine bestimmte Richtung zu erzeugen. Im Bild ist ein Strahl dargestellt, der bei 2 GHz in Richtung -X für das Array zeigt.

Abbildung 14: Der zweidimensionale azimutale Schnitt des SECTOR-Musters für die dual polarisierte Antenne ist bei 2 GHz dargestellt. 
 

Wie die Ergebnisse zeigen, bietet die Antennenanordnung eine gute Leistung über einen breiten Frequenzbereich und kann sowohl horizontal als auch vertikal polarisierte Muster gleichzeitig erzeugen. Die Fähigkeit, entweder omnidirektionale oder fokussierte Strahlen zu bilden, wird ebenfalls demonstriert, wodurch dieses Design für Basisstationsanwendungen geeignet ist.

Referenz:

1] K. Prionidis, "MIMO konfigurierbares Array für sektorale/omni-direktionale Abdeckung", Abteilung für Signale und Systeme, Chalmers University of Technology, Göteborg, Schweden 2014.