在XFdtd中创建并模拟了文献[1]中提供的 MIMO 天线设计，为该设备的几种不同配置和工作模式生成回波损耗、耦合和增益模式。该天线的工作频率为 1.7 - 2.2 GHz，可同时使用水平和垂直极化模式，并允许波束成形或全向模式。该天线的预期用途是基站。
天线的整体设计如图 1 所示，由三部分组成：由四个磁偶极子组成的中心圆盘，产生水平极化模式；上下两个接地平面，各有四个电单极子，产生垂直极化模式。磁偶极子中心圆盘如图 2 所示，下部单极电场阵列如图 3 所示。上部单极电场阵列是下部阵列的镜像，与下部阵列相位相差 180 度，以确保图案的建设性添加。整个装置的总尺寸约为 170x170x150 毫米。
图 1：所示为天线阵列的三维 CAD 图，装置顶部和底部的圆形接地平面上方为电单极子阵列，中心为扁平的四元件磁偶极子阵列。金色材料代表铜，红色材料是 FR-4。
图 2：中心磁偶极阵列的详细视图。四个元件分别印在基板材料的顶部和底部，并从中心馈电。
图 3：下部单极电场阵列的四个元件排列在圆形地平面上。每个元件的内侧都有一个小的馈电贴片。
对天线进行仿真时，一次只激活一个端口，以生成回波损耗图。从图 4 中可以看出，在大约 1.7 至 2.2 千兆赫的频率范围内，电单极子的回波损耗低于 -10 dB。同样，图 5 显示了磁偶极的回波损耗，在相关频率范围内表现良好。电偶极阵列中元件之间的耦合（图 6）在与馈电元件相邻的元件之间最高，但仍低于-10 dB，而在设备另一侧的镜像元件之间则低于-20 dB。磁偶极子阵列（图 7）中所有元件的耦合度都低于-10 dB，而斜对角天线的耦合度则低于-20 dB。
图 4：每个电动单极的回波损耗在 1.7-2.2 千兆赫频段内均表现良好。
图 5：磁偶极子的回波损耗在 1.7-2.2 千兆赫频段表现良好。
图 6：对所有元件而言，单极电场阵列元件之间的耦合度都低于 -10 dB，与馈电相邻元件之间的耦合度最高，而与设备另一端元件之间的耦合度则低得多。
图 7：磁偶极子阵列元件之间的耦合低于 -10 dB，对角线对面元件的耦合更低。
图 8：水平阵列（磁偶极子）的三维图案显示了 OMNI 模式下的均匀图案。图中的频率为 1.7 千兆赫，但其他频率也类似。
该设备能够根据元件的相位以多种模式运行，并能从独立阵列产生水平和垂直极化图案。当所有元件同相馈电时，产生的图案是全向的，如图 8 所示，中心磁偶极阵列在 1.7 GHz 频率下产生的水平极化图案。图 9 显示了通过设备中心的二维图案图，可以看出图案具有良好的均匀性。同样，图 10 和图 11 分别以三维和二维方式显示了 1.7 千兆赫全向模式下电单极子元件的垂直极化图案。如图 12 所示，在两个阵列同时激活的情况下，在 1.7 千兆赫的方位切面上会产生水平和垂直两种极化。
图 9：在设备周围的方位面上，采用 OMNI 模式的磁偶极阵列的水平极化（Phi）非常均匀。
图 10：垂直电单极子阵列在 OMNI 模式下产生的均匀图案符合预期。所示为 1.7 GHz 时的图案。
图 11：1.7 千兆赫处的图案方位切面显示，在 OMNI 模式下，电单极阵列的垂直极化（Theta）增益均匀。
图 12：在双偏振 OMNI 模式下，两组阵列都有馈电，并产生水平和垂直两种偏振。图中显示的是 1.7 GHz 频率下的图案方位角切面，可见垂直和水平图案都很均匀。
要产生特定方向的波束（称为扇形模式），必须调整天线元件之间的相位。如果每个阵列的馈电采用[0, 90, 180, 90]的相位方案（顶部和底部电单极子阵列之间偏移 180 度），扇形模式就会将波束聚焦到一侧。图 13 显示了在 2 GHz 频率下扇形模式产生的图案的三维视图，图 14 显示了二维方位角切面。
图 13：在 SECTOR 模式下工作时，天线馈电相位会在某个方向产生一个波束。图中显示的是 2 GHz 频率下阵列指向 -X 方向的波束。
图 14：双极化天线 SECTOR 图案的二维方位切割图，频率为 2 千兆赫。
结果表明，该天线阵列在较宽的频率范围内性能良好，可同时产生水平和垂直极化模式。此外，该阵列还能形成全向或聚焦波束，因此适合基站应用。
参考资料
[1] K. Prionidis：《扇形/全向覆盖的 MIMO 可配置阵列》，瑞典哥德堡查尔姆斯理工大学信号与系统系，2014 年。
