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応用例

基地局用コンフィギュラブル・アレイ・アンテナのシミュレーション

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文献 [1] で入手可能な MIMO アンテナ設計を作成し、XFdtdでシミュレーショ ンして、デバイスのいくつかの異なる構成と動作モードについて、リターンロス、カップリング、 ゲインパターンを生成しました。このアンテナは、1.7 ~ 2.2 GHz で動作し、水平偏波と垂直偏波の両方のパターンで同時に動作し、ビームフォーミングまたは無指向性パターンを可能に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。

水平偏波パターンを生成する4つの磁気ダイポールからなるセンターディスクと、垂直偏波パターンを生成する4つの電気モノポールからなる上下のグランドプレーンです。磁気ダイポールのセンターディスクを図2に、電気モノポールの下部アレイを図3に示す。電気単極の上側アレイは下側アレイの鏡像であり、下側アレイとは180度位相がずれている。装置全体の寸法は約170x170x150mmである。

図1:デバイスの上下にある円形のグランドプレーンの上に電気モノポール・アレイがあり、中央には平らな4素子の磁気ダイポール・アレイがあるアンテナ・アレイの3次元CAD図。金マット...

図1:デバイスの上下にある円形のグランドプレーンの上に電気モノポール・アレイがあり、中央には平らな4素子の磁気ダイポール・アレイがあるアンテナ・アレイの3次元CAD図。金色の材料は銅を表し、赤色の材料はFR-4である。

図2:センターマグネティックダイポールアレイの詳細図を示す。4つの素子は基板材料の上下に印刷され、中心で給電される。

図2:センターマグネティックダイポールアレイの詳細図を示す。4つの素子は基板材料の上下に印刷され、中心で給電される。

図3:円形のグランドプレーン上に4つのエレメントを配置した下部電気モノポール・アレイを示す。各エレメントの内側に小さなフィードパッチがある。

図3:円形のグランドプレーン上に4つのエレメントを配置した下部電気モノポール・アレイを示す。各エレメントの内側に小さなフィードパッチがある。

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・プロットを作成します。電気モノポールのリターンロスは、図4に示すように、およそ1.7GHzから2.2GHzの範囲で-10dBを下回っています。同様に、磁気ダイポールのリターンロスを図5に示すが、対象周波数範囲にわたって良好な性能を示している。電気ダイポールアレイの素子間の結合(図6)は、給電素子に隣接する素子間が最も高いが、それでも-10dB以下であり、素子の反対側のミラー素子では-20dB以下である。磁気ダイポールアレイ(図7)の結合は、すべての素子で-10dB以下であり、斜めに対向するアンテナでは-20dB以下である。

図4:それぞれの電気モノポールのリターンロスは、1.7-2.2GHz帯で良好な性能を示している。

図4:それぞれの電気モノポールのリターンロスは、1.7-2.2GHz帯で良好な性能を示している。

図5:磁気ダイポールのリターンロスは、1.7~2.2GHz帯で良好な性能を示している。

図5:磁気ダイポールのリターンロスは、1.7~2.2GHz帯で良好な性能を示している。

 

図6:電気モノポール・アレイの素子間の結合は、フィードに隣接する素子間の結合が最も高く、デバイスの反対側の端にある素子との結合がはるかに低いにもかかわらず、すべての素子で-10dB以下に留まっている。

図6: 電気モノポール・アレイの素子間の結合は、すべての素子で-10dB以下のままであり、予想通り、給電に隣接する素子間の結合が最も高く、反対側の端にある素子との結合はかなり低い。

図7:磁気ダイポールアレイの素子間の結合は-10dB以下で、対角の素子ではもっと低い。

図7:磁気ダイポールアレイの素子間の結合は-10dB以下で、対角の素子ではもっと低い。

図8:水平アレイ(磁気ダイポール)の3次元パターンは、OMNIモードで均一なパターンを示す。画像は1.7GHzだが、他の周波数も同様。

図8:水平アレイ(磁気ダイポール)の3次元パターンは、OMNIモードで均一なパターンを示す。画像は1.7GHzだが、他の周波数も同様。

このデバイスは、素子の位相によって様々なモードで動作することが可能であり、別々のアレイから水平偏波と垂直偏波のパターンを生成することができる。すべての素子が同位相で供給される場合、生成されるパターンは、1.7GHzで中央の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図8に示されるように、全指向性である。デバイスの中心を通るパターンの2次元プロットを図9に示すが、パターンの均一性が良好であることがわかる。同様に、1.7GHzの無指向性モードにおける電気モノポール素子からの垂直偏波パターンを、図10に3次元で、図11に2次元プロットで示す。両方のアレイを同時にアクティブにすると、1.7GHzの方位角カットで図12に示すように水平偏波と垂直偏波の両方が発生します。 

図9:OMNIモードの磁気ダイポールアレイの場合、デバイス周囲の方位角面において、水平偏波(Phi)は極めて均一である。

図9:OMNIモードの磁気ダイポールアレイの場合、デバイス周囲の方位角面において、水平偏波(Phi)は極めて均一である。

図10:垂直電気モノポール・アレイは、予想通りOMNIモードで均一なパターンを生成。1.7GHzでのパターンを示す。

図10:垂直電気モノポール・アレイは、予想通りOMNIモードで均一なパターンを生成。1.7GHzでのパターンを示す。

図11:1.7GHzにおけるパターンの方位角カットは、OMNIモードの電気モノポール・アレイの垂直偏波(θ)の均一利得を示している。

図11:1.7GHzにおけるパターンの方位角カットは、OMNIモードの電気モノポール・アレイの垂直偏波(θ)の均一利得を示している。

図12:二重偏波OMNIモードでは、2組のアレイに給電し、水平偏波と垂直偏波の両方を発生させる。画像は1.7GHzのパターンをアジマス方向に切断したもので、垂直と水平の両方のパターンが見える。

図12:二重偏波OMNIモードでは、アレイの両方のセットが給電され、水平偏波と垂直偏波の両方が生成される。画像は1.7GHzのパターンをアジマス方向に切断したもので、垂直・水平パターンが均一であることがわかる。

セクターモードと呼ばれる所定の方向にビームを発生させるには、アンテナエレメント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に [0, 90, 180, 90] の位相調整シナリオを適用すると(上下の電気モノポール・アレイ間で 180 度のオフセット)、セクター・パターンはビームを片側に集束させます。生成されたパターンの3次元図を図13に、2GHzにおけるセクターモードパターンの2次元アジマスカットを図14に示す。 

図13:SECTORモードで動作する場合、アンテナ給電は特定の方向にビームを生成するように位相調整される。画像では、2GHzのアレイの-X方向にビームが向いている。

図13:SECTORモードで動作する場合、アンテナ給電は特定の方向にビームを生成するように位相調整される。画像では、2GHzのアレイの-X方向にビームが向いている。

図14:2GHzにおける二重偏波アンテナのSECTORパターンの2次元方位角カットを示す。  

図14:2GHzにおける二重偏波アンテナのSECTORパターンの2次元方位角カットを示す。

結果が示すように、このアンテナアレイは広い周波数範囲にわたって良好な性能を発揮し、水平偏波と垂直偏波の両方のパターンを同時に生成することができる。また、無指向性または集束ビームの形成能力も実証され、この設計は基地局アプリケーションに適している。

参考までに:

[1] K. Prionidis, "MIMO configurable array for sector/omni-directional coverage," Department of Signals & Systems, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden 2014.

 

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