Simulación de antenas de matriz configurable para estaciones base

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Se crea un diseño de antena MIMO disponible en la bibliografía [1] y se simula en XFdtd para generar patrones de pérdida de retorno, acoplamiento y ganancia para varias configuraciones y modos de funcionamiento diferentes del dispositivo. La antena está destinada a operar entre 1,7-2,2 GHz, para operar simultáneamente con patrones polarizados horizontales y verticales, y para permitir la formación de beamforming o patrones omnidireccionales. El uso previsto de esta antena es para las estaciones base.

El total diseño de la antena se muestra en la figura 1 y se compone de tres porciones: un disco central de cuatro dipolos magnéticos que producen un patrón polarizado horizontalmente, y los planos de tierra superior e inferior que cada uno tiene cuatro monopolos eléctricos para patrones verticalmente polarizados. El disco central de los dipolos magnéticos se muestra en la figura 2 y la matriz inferior de monopolos eléctricos se muestra en la figura 3. Una matriz superior de monopolos eléctricos es la imagen especular de la inferior y se escalona a 180 grados aparte de la matriz inferior para garantizar la adición constructiva de los patrones. Las dimensiones generales de todo el dispositivo son aproximadamente 170x170x150 mm.

Figura 1: se muestra una representación de CAD tridimensional de la matriz de antenas con matrices de monopolo eléctrico por encima de los planos de tierra circulares en la parte superior e inferior del dispositivo y una matriz plana de dipolo magnético de cuatro elementos en el centro. El material dorado representa el cobre, mientras que el material rojo es FR-4.

Figura 2: se muestra una vista detallada del array del dipolo magnético central. Los cuatro elementos están impresos en la parte superior e inferior del material de sustrato y se alimentan en los centros.

Figura 3: la matriz monopolo inferior eléctrica se muestra con los cuatro elementos dispuestos en el plano de tierra circular. Hay un pequeño parche de alimentación en el lado interno de cada elemento.

La antena se simula con un puerto activo a la vez para generar parcelas de pérdida de retorno. La pérdida de retorno para los monopolos eléctricos se puede ver en la figura 4 para estar por debajo de-10 dB de aproximadamente 1,7 a 2,2 GHz. Del mismo modo, la pérdida de retorno para los dipolos magnéticos se muestra en la figura 5 con un buen rendimiento sobre el rango de frecuencia de interés. El acoplamiento entre los elementos en los arrays de dipolos eléctricos (Figura 6) es más alto, pero todavía por debajo de-10 dB, entre los elementos adyacentes al elemento alimentado y por debajo de-20 dB para los elementos reflejados en el lado opuesto del dispositivo. El acoplamiento de los dipolos magnéticos (Figura 7) es inferior a-10 dB para todos los elementos con y por debajo de-20 dB para las antenas opuestas diagonalmente.

Figura 4: la pérdida de retorno para cada uno de los monopolos eléctricos muestra un buen rendimiento sobre la banda de 1.7-2,2 GHz.

Figura 5: la pérdida de retorno para los dipolos magnéticos muestra un buen rendimiento sobre la banda de 1.7-2,2 GHz.

Figura 6: el acoplamiento entre los elementos de las matrices de monopolo eléctrico se mantiene por debajo de-10 dB para todos los elementos con el acoplamiento más alto entre los elementos adyacentes a la alimentación y mucho menor acoplamiento a los elementos en el extremo opuesto del dispositivo, como se esperaba.

Figura 7: el acoplamiento entre los elementos de la matriz de dipolos magnéticos es inferior a-10 dB y mucho más bajo para el elemento diagonalmente opuesto.

Figura 8: el patrón tridimensional de la matriz horizontal (dipolos magnéticos) muestra un patrón uniforme en el modo OMNI. La imagen está a 1,7 GHz pero otras frecuencias son similares.

El dispositivo es capaz de operar en numerosos modos dependiendo del escalonamiento de los elementos y puede producir patrones polarizados horizontal y verticalmente a partir de los arrays separados. Cuando todos los elementos se alimentan en fase, el patrón producido es omnidireccional como el que se muestra en la figura 8 para el patrón polarizado horizontalmente generado por el array dipolo magnético central a 1,7 GHz. Una gráfica bidimensional del patrón a través del centro del dispositivo se muestra en la figura 9, donde se puede ver que hay una buena uniformidad del patrón. Del mismo modo, los patrones verticalmente polarizados de los elementos monopolo eléctricos en modo omnidireccional a 1,7 GHz se muestran en tres dimensiones en la figura 10 y en una gráfica bidimensional en la figura 11. Con ambas matrices activas al mismo tiempo, las polarizaciones horizontales y verticales se producen como se muestra en la figura 12 para un corte acimutal a 1,7 GHz. 

Figura 9: en el plano acimutal alrededor del dispositivo, la polarización horizontal (PHI) es bastante uniforme para el caso de la matriz de dipolos magnéticos en modo OMNI.

Figura 10: las matrices verticales de monopolo eléctricos producen un patrón uniforme en el modo OMNI como se esperaba. Se muestra en el patrón a 1,7 GHz.

Figura 11: un corte acimutal del patrón a 1,7 GHz muestra una ganancia uniforme de la polarización vertical (Theta) para el array monopolo eléctrico en modo OMNI.

Figura 12: en el modo OMNI de polarización doble, se alimentan ambos conjuntos de matrices y se producen polarizaciones horizontales y verticales. La imagen muestra un corte acimutal a través del patrón a 1,7 GHz y los patrones verticales y horizontales se ven como uniformes.

Para generar vigas en una dirección determinada, denominada modo de sector, se debe ajustar el escalonamiento entre los elementos de la antena. Con un escenario de escalonamiento de [0, 90, 180, 90] aplicado a los feeds de cada array (180 grados de desfase entre los arrays de monopolo eléctricos superior e inferior), el patrón sectorial enfocara una viga a un lado. Una vista tridimensional del patrón generado se muestra en la figura 13 para el patrón de modo de sector a 2 GHz mientras que en la figura 14 se muestra un corte de acimut bidimensional. 

Figura 13: cuando se opera en modo SECTOR, las alimentaciones de antena se escalan gradualmente para producir una viga en una dirección determinada. En la imagen, se muestra una viga apuntando en la dirección-X para la matriz a 2 GHz.

Figura 14: el corte acimutal bidimensional del patrón SECTOR para la antena doble polarizada se muestra a 2 GHz. 
 

Como muestran los resultados, la matriz de antenas proporciona un buen rendimiento en un amplio rango de frecuencias y puede producir patrones polarizados horizontal y verticalmente simultáneamente. La capacidad de formar vigas omnidireccionales o enfocadas también se demuestra haciendo que este diseño sea adecuado para aplicaciones de estación base.

Referencia:

[1] K. Prionidis, "matriz configurable MIMO para cobertura sectorial/omnidireccional," Departamento de señales y sistemas, Chalmers University of Technology, Gotemburgo, Suecia 2014.