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
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。
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。
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。
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。
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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