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.
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.
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.
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.
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.