Ein in der Literatur verfügbares MIMO-Antennendesign [1] wird erstellt und in XFdtd simuliert, um Rückflussdämpfung, Kopplung und Gewinnmuster für mehrere verschiedene Konfigurationen und Betriebsarten des Geräts zu erzeugen. Die Antenne soll zwischen 1,7 und 2,2 GHz arbeiten, gleichzeitig mit horizontalen und vertikalen Polarisationsmustern arbeiten und Beamforming oder omnidirektionale Muster ermöglichen. Der Verwendungszweck dieser Antenne ist für Basisstationen vorgesehen.
Der Gesamtaufbau der Antenne ist in Abbildung 1 dargestellt und besteht aus drei Teilen: einer zentralen Scheibe mit vier magnetischen Dipolen, die ein horizontal polarisiertes Muster erzeugen, sowie einer oberen und unteren Grundplatte mit jeweils vier elektrischen Monopolen für vertikal polarisierte Muster. Die mittlere Scheibe mit den magnetischen Dipolen ist in Abbildung 2 und die untere Anordnung der elektrischen Monopole in Abbildung 3 dargestellt. Eine obere Anordnung elektrischer Monopole ist das Spiegelbild der unteren Anordnung und ist um 180 Grad phasenverschoben, um eine konstruktive Addition der Muster zu gewährleisten. Die Gesamtabmessungen der gesamten Vorrichtung betragen etwa 170x170x150 mm.
Abbildung 1: Es handelt sich um eine dreidimensionale CAD-Darstellung der Antennengruppe mit elektrischen Monopolgruppen über kreisförmigen Grundflächen oben und unten am Gerät und einer flachen, viergliedrigen magnetischen Dipolgruppe in der Mitte. Das goldene Material stellt Kupfer dar, während das rote Material FR-4 ist.
Abbildung 2: Es wird eine detaillierte Ansicht des zentralen magnetischen Dipolarrays gezeigt. Die vier Elemente sind auf die Ober- und Unterseite des Trägermaterials gedruckt und werden in der Mitte gespeist.
Abbildung 3: Das untere elektrische Monopol-Array ist mit den vier Elementen auf der kreisförmigen Grundplatte dargestellt. An der Innenseite jedes Elements befindet sich ein kleines Speisefeld.
Die Antenne wird mit jeweils einem aktiven Anschluss simuliert, um Rückflussdämpfungsdiagramme zu erstellen. Abbildung 4 zeigt, dass die Rückflussdämpfung für die elektrischen Monopole von etwa 1,7 bis 2,2 GHz unter -10 dB liegt. Auch die Rückflussdämpfung für die magnetischen Dipole ist in Abbildung 5 dargestellt und zeigt eine gute Leistung über den interessierenden Frequenzbereich. Die Kopplung zwischen den Elementen in den elektrischen Dipolanordnungen (Abbildung 6) ist am höchsten, aber immer noch unter -10 dB, zwischen den Elementen neben dem gespeisten Element und unter -20 dB für die gespiegelten Elemente auf der gegenüberliegenden Seite des Geräts. Die Kopplung der magnetischen Dipole (Abbildung 7) liegt unter -10 dB für alle Elemente mit und unter -20 dB für die diagonal gegenüberliegenden Antennen.
Abbildung 4: Die Rückflussdämpfung für jeden der elektrischen Monopole zeigt eine gute Leistung im Bereich von 1,7-2,2 GHz.
Abbildung 5: Die Rückflussdämpfung der magnetischen Dipole zeigt eine gute Leistung im Bereich von 1,7-2,2 GHz.
Abbildung 6: Die Kopplung zwischen den Elementen des elektrischen Monopol-Arrays bleibt für alle Elemente unter -10 dB, wobei die Kopplung zwischen den Elementen in der Nähe der Einspeisung am höchsten und die Kopplung zu den Elementen am gegenüberliegenden Ende des Geräts erwartungsgemäß viel niedriger ist.
Abbildung 7: Die Kopplung zwischen den Elementen des magnetischen Dipolarrays liegt unter -10 dB und ist für das diagonal gegenüberliegende Element wesentlich geringer.
Abbildung 8: Das dreidimensionale Muster der horizontalen Anordnung (magnetische Dipole) 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, je nach Phasenlage der Elemente in zahlreichen Modi zu arbeiten und kann mit den einzelnen Arrays horizontal und vertikal polarisierte Muster erzeugen. Wenn alle Elemente in Phase gespeist werden, ist das erzeugte Muster omnidirektional, wie das in Abbildung 8 gezeigte horizontal polarisierte Muster, das von der mittleren magnetischen Dipolanordnung bei 1,7 GHz erzeugt wird. Eine zweidimensionale Darstellung des Musters durch die Mitte des Geräts ist in Abbildung 9 zu sehen, aus der hervorgeht, dass das Muster eine gute Gleichmäßigkeit aufweist. In ähnlicher Weise sind die vertikal polarisierten Muster der elektrischen Monopolelemente im omnidirektionalen Modus bei 1,7 GHz in Abbildung 10 in drei Dimensionen und in Abbildung 11 in einer zweidimensionalen Darstellung gezeigt. 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 gezeigt.
Abbildung 9: In der azimutalen Ebene um das Gerät ist die horizontale Polarisation (Phi) im Fall der magnetischen Dipolanordnung im OMNI-Modus recht gleichmäßig.
Abbildung 10: Die vertikalen elektrischen Monopol-Arrays erzeugen wie erwartet ein gleichmäßiges Muster im OMNI-Modus. Dargestellt im Muster bei 1,7 GHz.
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 OMNI-Modus mit doppelter Polarisation werden beide Arrays gespeist, und es werden 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 sind gleichmäßig.
Zur Erzeugung von Strahlen in einer bestimmten Richtung, dem so genannten Sektormodus, muss die Phasenlage zwischen den Antennenelementen angepasst werden. Mit einem Phasenszenario von [0, 90, 180, 90], das auf die Einspeisungen jedes Arrays angewandt wird (180 Grad Versatz zwischen den oberen und unteren elektrischen Monopol-Arrays), fokussiert das Sektormuster einen Strahl auf eine Seite. Eine dreidimensionale Ansicht des erzeugten Musters ist in Abbildung 13 für das Sektormuster bei 2 GHz dargestellt, während ein zweidimensionaler Azimutschnitt in Abbildung 14 zu sehen ist.
Abbildung 13: Beim Betrieb im SECTOR-Modus werden die Antennenspeisungen phasengesteuert, um einen Strahl in eine bestimmte Richtung zu erzeugen. In der Abbildung ist ein Strahl zu sehen, der für das Array bei 2 GHz in die -X-Richtung zeigt.
Abbildung 14: Der zweidimensionale azimutale Schnitt des SECTOR-Diagramms für die doppelt polarisierte Antenne ist bei 2 GHz dargestellt.
Wie die Ergebnisse zeigen, bietet die Antennengruppe 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, was dieses Design für Basisstationsanwendungen geeignet macht.
Referenz:
[1] K. Prionidis, "MIMO configurable array for sector/omni-directional coverage," Department of Signals & Systems, Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden 2014.
