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Se crea y simula en XFdtd un diseño de antena MIMO disponible en la literatura [1] para generar patrones de pérdidas de retorno, acoplamiento y ganancia para varias configuraciones y modos de funcionamiento diferentes del dispositivo. La antena está diseñada para funcionar entre 1,7 y 2,2 GHz, para funcionar simultáneamente con patrones polarizados horizontal y verticalmente, y para permitir la formación de haces o patrones omnidireccionales. El uso previsto de esta antena es para estaciones base.
El diseño general de la antena se muestra en la Figura 1 y se compone de tres partes: un disco central de cuatro dipolos magnéticos que producen un patrón polarizado horizontalmente, y planos de tierra superior e inferior que tienen cada uno cuatro monopolos eléctricos para patrones polarizados verticalmente. En la figura 2 se muestra el disco central de dipolos magnéticos y en la figura 3 el conjunto inferior de monopolos eléctricos. La matriz superior de monopolos eléctricos es la imagen especular de la inferior y está desfasada 180 grados con respecto a ésta para garantizar una adición constructiva de los patrones. Las dimensiones totales de todo el dispositivo son de aproximadamente 170x170x150 mm.
Figura 1: Se muestra una representación CAD tridimensional del conjunto de antenas con conjuntos de monopolos eléctricos sobre planos de tierra circulares en la parte superior e inferior del dispositivo y un conjunto de dipolos magnéticos planos de cuatro elementos en el centro. El material dorado representa el cobre, mientras que el rojo es FR-4.
Figura 2: Se muestra una vista detallada del conjunto de dipolos magnéticos centrales. Los cuatro elementos están impresos en la parte superior e inferior del material del sustrato y se alimentan en los centros.
Figura 3: Se muestra el conjunto monopolar eléctrico inferior con los cuatro elementos dispuestos en el plano de tierra circular. Hay un pequeño parche de alimentación en el lado interior de cada elemento.
La antena se simula con un puerto activo a la vez para generar gráficos de pérdida de retorno. La pérdida de retorno de los monopolos eléctricos puede verse en la Figura 4 por debajo de -10 dB desde aproximadamente 1,7 a 2,2 GHz. Del mismo modo, la pérdida de retorno de los dipolos magnéticos se muestra en la Figura 5 con un buen rendimiento en el rango de frecuencias de interés. El acoplamiento entre elementos en las matrices de dipolos eléctricos (Figura 6) es mayor, pero sigue estando 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) está por debajo de -10 dB para todos los elementos con y por debajo de -20 dB para las antenas diagonalmente opuestas.
Figura 4: La pérdida de retorno de cada uno de los monopolos eléctricos muestra un buen rendimiento en la banda de 1,7-2,2 GHz.
Figura 5: La pérdida de retorno de los dipolos magnéticos muestra un buen rendimiento en la banda de 1,7-2,2 GHz.
Figura 6: El acoplamiento entre los elementos de los conjuntos de monopolo eléctrico se mantiene por debajo de -10 dB para todos los elementos, con el mayor acoplamiento entre los elementos adyacentes a la alimentación y un acoplamiento mucho menor con los elementos del extremo opuesto del dispositivo, como era de esperar.
Figura 7: El acoplamiento entre los elementos del dipolo magnético es inferior a -10 dB y mucho menor para el elemento diagonalmente opuesto.
Figura 8: El patrón tridimensional del conjunto horizontal (dipolos magnéticos) muestra un patrón uniforme en modo OMNI. La imagen corresponde a 1,7 GHz, pero las demás frecuencias son similares.
El dispositivo es capaz de funcionar en numerosos modos dependiendo de la fase de los elementos y puede producir patrones polarizados horizontal y verticalmente a partir de los conjuntos 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 conjunto de dipolos magnéticos centrales a 1,7 GHz. En la Figura 9 se muestra un diagrama bidimensional del patrón a través del centro del dispositivo, donde se puede observar que hay una buena uniformidad del patrón. Del mismo modo, los patrones polarizados verticalmente de los elementos eléctricos monopolo en modo omnidireccional a 1,7 GHz se muestran en tres dimensiones en la Figura 10 y en un gráfico bidimensional en la Figura 11. Con ambas matrices activas al mismo tiempo, se producen polarizaciones horizontales y verticales como se muestra en la Figura 12 para un corte azimutal a 1,7 GHz.
Figura 9: En el plano azimutal alrededor del dispositivo, la polarización horizontal (Phi) es bastante uniforme para el caso del conjunto de dipolos magnéticos en modo OMNI.
Figura 10: Los conjuntos de monopolos eléctricos verticales producen un patrón uniforme en modo OMNI, tal como se esperaba. Se muestra el patrón a 1,7 GHz.
Figura 11: Un corte azimutal del patrón a 1,7 GHz muestra una ganancia uniforme de la polarización vertical (Theta) para el conjunto monopolar eléctrico en modo OMNI.
Figura 12: En el modo OMNI de polarización dual, se alimentan ambos conjuntos de antenas y se producen polarizaciones horizontales y verticales. La imagen muestra un corte azimutal a través del patrón a 1,7 GHz y se observa que tanto el patrón vertical como el horizontal son uniformes.
Para generar haces en una dirección determinada, lo que se denomina modo sectorial, es necesario ajustar el desfase entre los elementos de la antena. Con un escenario de desfase de [0, 90, 180, 90] aplicado a los alimentadores de cada conjunto (desfase de 180 grados entre los conjuntos de monopolo eléctrico superior e inferior), el diagrama sectorial enfocará un haz hacia un lado. En la Figura 13 se muestra una vista tridimensional del patrón generado para el patrón de modo sectorial a 2 GHz, mientras que en la Figura 14 se muestra un corte bidimensional acimutal.
Figura 13: Cuando se trabaja en modo SECTOR, los alimentadores de antena se desfasan para producir un haz en una dirección determinada. En la imagen, se muestra un haz apuntando en la dirección -X para el conjunto a 2 GHz.
Figura 14: Se muestra el corte acimutal bidimensional del diagrama SECTOR para la antena de doble polarización a 2 GHz.
Como muestran los resultados, el conjunto de antenas ofrece un buen rendimiento en una amplia gama de frecuencias y puede producir simultáneamente diagramas polarizados horizontal y verticalmente. También se ha demostrado la capacidad de formar haces omnidireccionales o focalizados, lo que hace que este diseño sea adecuado para aplicaciones de estaciones base.
Referencia:
[1] K. Prionidis, "MIMO configurable array for sector/omni-directional coverage," Department of Signals & Systems, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden 2014.
