基地局のための構成可能なアレイアンテナシミュレーション

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文献 [1] で利用可能な MIMO アンテナ設計が作成され、 XFdtd デバイスのいくつかの異なる構成と動作モードのリターンロス、カップリング、ゲインパターンを生成します。アンテナは、1.7-2.2 GHz の間で動作し、水平および垂直偏光パターンの両方で同時に動作し、ビームフォーミングまたは全方向パターンを許可することを目的としています。このアンテナの使用目的は、基地局用です。

、全体的な アンテナ設計 は、図1に示されており、3つの部分で構成されています: 水平偏波パターンを生成する4つの磁気双極子の中心ディスクと、それぞれが垂直偏光パターンのための4つの電気モノポールを持っている上と下の接地面。図2に磁気双極子の中心円盤を示し、下側の電気モノポールの配列を図3に示す。電気モノポールの上の配列は下の1のミラーイメージであり、パターンの建設的な追加を確実にするために下の配列から180度離れて段階的にされています。装置全体の全体の寸法は約 170x170x150 mm です。

図1は、デバイスの上部と下部にある円形の接地面の上に電気モノポールアレイを持つアンテナアレイの3次元 CAD 表現と、中央にフラットな4要素の磁気ダイポールアレイを示しています。金の材料は銅を表し、赤い材料は FR-4 です。

図 2: 中心磁気ダイポールアレイの詳細なビューを示します。4つの要素は、基板材料の上部と下部に印刷され、センターで供給されています。

図 3: 下部電気モノポールアレイは、円形接地面上に配置された4つの要素で示される。各要素の内側に小さなフィードパッチがあります。

アンテナは一度に1つのポートをアクティブにしてシミュレーションし、リターンロスプロットを生成します。電気モノポールのリターン・ロスは、図4のように、約1.7 から 2.2 GHz の-10 dB の下にあると見られます。同様に、磁気双極子のリターンロスは、目的の周波数範囲にわたって良好な性能を有する図5に示されている。電気双極子アレイ内の要素間の結合 (図 6) は最高ですが、デバイスの反対側にあるミラー要素の場合は、fed 要素に隣接する要素と-20 db の間で、まだ-10 db 以下になります。磁気双極子 (図 7) の結合は、対角線上の反対側のアンテナに対して-20 db 以下のすべての要素に対して-10 db 以下になります。

図 4: 各電気モノポールのリターン損失は、1.7 ~ 2.2 GHz 帯にわたって良好な性能を示しています。

図 5: 磁気双極子の戻り損失は、1.7 ~ 2.2 GHz 帯にわたって良好な性能を示しています。

図 6: 電気モノポールアレイの要素間の結合は、フィードに隣接する要素間の結合が最も高く、デバイスの反対側の端にある要素との結合が非常に低いすべての要素について、-10 dB の下に維持されます。

図 7: 磁気ダイポールアレイの素子間の結合は、-10 dB 以下であり、対角方向の素子に対してははるかに低い。

図 8: 水平配列 (磁気双極子) の3次元パターンは、オムニモードで一様なパターンを示しています。画像は 1.7 GHz ですが、他の周波数は類似しています。

装置は要素の段階によって多数のモードで作動することができ、別の配列から水平および垂直に分極されたパターンを作り出すことができる。すべての要素が位相で供給される場合、生成されるパターンは、1.7 GHz で中心磁気ダイポールアレイによって生成された水平偏波パターンについては図8に示すような無指向性です。デバイスの中心を通るパターンの二次元プロットが図9に示され、そこでパターンの良好な均一性があることがわかる。同様に、1.7 GHz の全方位モードにおける電気モノポール要素からの垂直偏光パターンは、図10の3次元と図11の2次元プロットに示されています。両方のアレイを同時にアクティブにすると、1.7 GHz の方位図法カットの場合、図12に示すように、水平および垂直の両方の偏波が生成されます。 

図 9: デバイスの周囲の方位図法平面では、オムニモードの磁気ダイポールアレイの場合、水平偏波 (φ) は非常に均一です。

図 10: 垂直電気モノポールアレイは、期待どおりにオムニモードで均一なパターンを生成します。1.7 GHz のパターンで示されています。

図 11: 1.7 GHz でのパターンの方位図法カットは、オムニモードでの電気モノポールアレイの垂直偏波 (θ) の一様利得を示しています。

図 12: デュアル偏波オムニモードでは、両方のアレイのセットが供給され、水平および垂直の両方の偏波が生成されます。イメージは 1.7 GHz でパターンによって切られる方位図法を示し、縦および横のパターンは均一であると見られる。

セクタモードと呼ばれる特定の方向にビームを生成するには、アンテナ要素間の位相を調整する必要があります。各アレイのフィード (上部と下部の電気モノポールアレイ間の180度オフセット) に適用された [0、90、180、90] のフェーズシナリオでは、セクタパターンはビームを片側に焦点を合わせます。2次元方位角カットが図14に示されている間に、生成されたパターンの3次元ビューを図13に示します。 

図 13: セクタモードで動作している場合、アンテナフィードは一定の方向にビームを生成するために段階的に処理されます。イメージでは、2 GHz の配列の-X 方向を指すビームが表示されます。

図 14: デュアル偏波アンテナのセクタパターンの2次元方位図法カットを 2 GHz で示します。 
 

結果として、アンテナアレイは広い周波数範囲で良好な性能を発揮し、水平方向および垂直方向の偏光パターンを同時に生成することができます。全方向または集束ビームのいずれかを形成する機能も、この設計を基地局アプリケーションに適したものにすることが実証されています。

参照:

[1] Prionidis、「セクター/全方向カバレッジのための MIMO 設定可能なアレイ」、チャーマーズ工科大学の信号とシステムの部門、ヨーテボリ、スウェーデン2014。