三角偶极子天线(上)---MIMO 系统, 包络相关系数 ECC 和分集增益 DG

这两期我们学习一下 MIMO 系统设计与调试。由一个三角型偶极子天线建模开始,到两个天线位置关系的对比和调试,再到四天线 MIMO 整体调试。

1. 单天线
用天线模板,然后画个三角形的二维曲线,参数化坐标方便以后调试:



这里 Gap=3, R=1, L1=19.1。将 WCS 对齐在直角点,画个半径为 R 的圆作为截面。



用 Sweep Curve 功能,先选中 circle1,回车,然后选 polygon1。




然后我们切开直角位置。先将 WCS 旋转至 UV 平面作为切面。



用 UV 平面切割:

然后选择切开的面,Modify face 功能将其移开 L2=3:



同理移开另一个面:

在斜边上的两个切面也移开一定距离,用于定义端口:

选择两个圆边,定义端口:


频域求解器开始仿真:



可见目前天线在 3.5GHz 还算能工作,S11 没有很好,也没有 10dB 带宽。阻抗为 26.8 欧姆,虽没有匹配到我们的端口 50,但不用担心,我们仍然可以用这个设计学习和调试 MIMO 系统,因为其他天线加入后仍可再调匹配。

可查看频域自动计算了哪些频点:

可查看频域网格:

加上背景之后的网格:

2. 双天线---正交型
下面我们看两个天线的情况。首先是端口方向的偶极子主干相互正交的情况,也就是复制天线和端口,旋转 90 度:




再次仿真,可见此时 S11 变好,Z11 变好,匹配变好,带宽也很宽,深感庆幸~
多天线就可以看互偶了,S21=-4.3dB, 还是很强的。
下面我们看一下 MIMO 的表现,添加两个后处理,分别用 S 参数计算包络相关系数(Envelope Correlation Coefficient,简称 ECC)和分集增益(Diversity Gain,简称 DG)。






可见此时 ECC=0.0125,我们以这个值为起始 MIMO 系统的参考表现。由于 DG 是直接从 ECC 得出的,(DG=10*sqrt(1-ECC),详情见帮助 help),所以我们就关注 ECC 的值就好了,越低说明两个天线相关性越低,MIMO 系统越好。
目前 ECC=0.0125 已经非常好了,现实 MIMO 设计中 0.3 以下就算不错了。那么该 MIMO 系统 S21 很强,为什么 ECC 还这么好呢?这要看 S 参数如何计算 ECC。很多文献可参考:

Chen, Z. N., Low, X. N., & See, T.S. P. (2011). Analysis and Optimization of Compact Suspended Plate MIMOAntennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 59(1),263–270. doi: 10.1109/tap.2010.2090478
所以根据定义,虽然 S21 不够好,只要匹配的好,ECC 仍然可以很低。再看下远场图,明显天线1的远场不再是偶极子甜甜圈远场了,收到下面天线的影响。
其实感兴趣的朋友可以手动输入公式验证 ECC 的结果:
小结:
本案例学习如何参数化建模,还有从 S 参数计算 ECC 和 DG。下期我们再介绍双天线平行的情况,和四天线的 MIMO,以及远场也能计算 ECC 和 DG。
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