用于MIMO基站雙極化天線設(shè)計(jì)及陣元互耦分析

王永巍 姜 興 侯 軼

(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院,廣西桂林541004)

1.引 言

移動(dòng)通信業(yè)務(wù)在容量和質(zhì)量上的不斷升級(jí),而工作頻帶在移動(dòng)通信中已經(jīng)是非常擁擠,因此,要求采用先進(jìn)的技術(shù)有效地利用有限的頻率資源,滿足高速率、大容量的業(yè)務(wù)需求;同時(shí)克服高速數(shù)據(jù)在無(wú)線信道下的多徑衰落[1-2]。MIMO技術(shù)就是基于上述要求提出的新技術(shù),并已成為目前無(wú)線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。MIMO技術(shù)能大大提高系統(tǒng)的容量,被視為未來(lái)無(wú)線通信中最有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)之一,亦被作為后3G、4G的候選技術(shù)。

MIMO系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)離不開基站和移動(dòng)端多天線的研究,并且由于移動(dòng)端天線受到體積、重量、成本等諸多限制,提高系統(tǒng)通信質(zhì)量的技術(shù)和措施很多靠基站端天線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本文綜合運(yùn)用了縫隙耦合技術(shù)和雙線饋電技術(shù)設(shè)計(jì)出了一種結(jié)構(gòu)為單層介質(zhì)板、H型縫隙耦合天線單元,因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制作容易,成本低廉,并具有高增益、高隔離、雙極化的特性,非常適用做MIMO基站端天線。

在MIMO系統(tǒng)中,相關(guān)性表現(xiàn)在兩方面,一為信道多徑的相關(guān)性,一為陣元之間的相關(guān)性,最終相關(guān)性問(wèn)題是由這兩方面共同影響的。有關(guān)文獻(xiàn)[3-4]從算法的角度分析了上述兩種相關(guān)性所產(chǎn)生的影響。在假設(shè)信道多徑之間獨(dú)立的情況下,討論陣元之間的相關(guān)性問(wèn)題,就得要求陣元間互耦很小。

2.基站天線單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示,天線由一層介質(zhì)板加鋁板組成。輻射貼片用四根塑料螺釘支撐于介質(zhì)板上方。接地板和饋線分別位于介質(zhì)板的上部和下部。接地板上采用一對(duì)相互垂直的H型縫隙,使隔離度明顯提高,降低了交叉極化。鋁板和介質(zhì)板之間引入空氣層,相當(dāng)于減小了上層介質(zhì)板的平均相對(duì)介電常數(shù),降低了微帶天線的Q值,從而達(dá)到了增加天線帶寬的目的,同時(shí)也提高了天線的增益[5]。

微帶貼片天線的口徑耦合饋電方式是Pozar于1985年提出的[6],它很好地克服了微帶天線傳統(tǒng)饋電方式的許多缺點(diǎn)(如同軸線引入一較大的電感、饋電網(wǎng)絡(luò)的寄生輻射等)。在縫隙耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中包括介質(zhì)層的選定、貼片的尺寸、耦合縫的尺寸和位置、饋電線的尺寸和相對(duì)位置,根據(jù)微帶電路改進(jìn)的傳輸線理論[7-8],可以初步確定貼片與兩個(gè)縫隙的長(zhǎng)寬和饋線調(diào)諧枝節(jié)的長(zhǎng)度。選用的介質(zhì)板介電常數(shù)εr=2.65 、tan δ=0.0005、厚度 h=1 mm 的介質(zhì)板 。

圖1 單層饋電網(wǎng)絡(luò)的雙極化口徑耦合貼片單元

3.天線仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

用三維仿真軟件HFSS對(duì)天線單元進(jìn)行了仿真和優(yōu)化,仿真得到天線兩個(gè)端口的S參數(shù)如圖2所示。

圖2 天線S參數(shù)仿真結(jié)果

據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果制作了天線模型如圖3所示。用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線陣的S參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖3 天線實(shí)物

通過(guò)實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果比較,在頻段2.11～2.17 GHz內(nèi)實(shí)測(cè)都在-20 dB以下,實(shí)測(cè)都在-30 dB以下,及端口隔離度大于-40 dB,實(shí)測(cè)圖形與仿真值基本吻合,驗(yàn)證了天線仿真的正確性。并且實(shí)測(cè)結(jié)果優(yōu)于仿真結(jié)果。

圖4 天線S參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果

對(duì)天線單元的增益及方向圖進(jìn)行了測(cè)試,圖5給出了水平、垂直極化端口方向圖的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果,圖形表明仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。實(shí)測(cè)水平極化增益為9.2 dBi,垂直極化增益為9.17 dBi。

圖5 天線單元增益方向圖

4.陣元間的互耦分析

在天線陣中,由于單元間彼此靠近,一個(gè)天線陣元產(chǎn)生的場(chǎng)將改變其他陣元上的電流分布,使之不同于單元在自由空間孤立存在時(shí)的電流,從而導(dǎo)致天線輸入阻抗發(fā)生變化,這就是互耦作用。

架設(shè)在室外的基站天線陣,各個(gè)單元間的距離很遠(yuǎn),達(dá)到幾十個(gè)波長(zhǎng),所以完全可以認(rèn)為單元間的互耦可以忽略不計(jì);而架設(shè)在有豐富的散射環(huán)境地方的基站天線陣,單元間的間距可能只有半個(gè)波長(zhǎng),所以可以利用基站天線不受空間限制的因素更好地確定單元之間的間距來(lái)降低陣元間互耦效應(yīng)。

根據(jù)天線理論,當(dāng)多個(gè)天線同時(shí)存在于空間時(shí),它們之間會(huì)發(fā)生電磁耦合。其中任一個(gè)天線的阻抗由于受到周圍其它天線的影響,將不同于它單獨(dú)存在時(shí)的阻抗值;此時(shí)每一陣元的阻抗包括自身的阻抗(即自阻抗)和受其它陣元影響產(chǎn)生的互阻抗兩部分,因而可用陣元間的互阻抗來(lái)表征陣元間的互耦[9]。所以,互耦的計(jì)算問(wèn)題歸根結(jié)底是天線陣陣元間互阻抗的計(jì)算問(wèn)題。

多天線系統(tǒng)的等效耦合網(wǎng)絡(luò)[4]的模型如圖6所示。負(fù)載阻抗為,…,天線阻抗(即自阻抗)為Za1,…,ZaNs。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)接收時(shí),等效于外加信號(hào)源(,…,,)分別作用于陣列天線單元。把天線單元間的互耦影響考慮進(jìn)來(lái)。由電路理論,饋電點(diǎn)電壓可表示為

圖6 多天線系統(tǒng)耦合網(wǎng)絡(luò)模型

將式(2)代入式(1),可得

可以設(shè)Wr為天線單元間的耦合系數(shù)矩陣。令

式中：ZA是對(duì)角矩陣;天線阻抗ZA1,…,ZANs是對(duì)角元素,將視為不計(jì)互耦下的接收信號(hào)電壓向量,由式(6)得到

解方程(7)可得耦合系數(shù)矩陣為

式中：diag(Rand)是隨機(jī)對(duì)角矩陣。耦合系數(shù)矩陣如果不計(jì)互耦時(shí)則為單位陣,則

上式給出了通用的耦合系數(shù)矩陣形式,使得我們對(duì)不同天線單元間的互耦分析更加的方便。

本文采用了雙H型縫隙耦合饋電的微帶天線單元,利用雙線饋電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了天線的雙極化特性,一對(duì)相互垂直的H型縫隙提高了端口隔離度,設(shè)計(jì)制作了MIMO基站端雙極化天線單元,測(cè)試結(jié)果與仿真較一致,滿足了設(shè)計(jì)要求。

5.仿真驗(yàn)證互耦分析結(jié)果

通過(guò)分析四單元陣列不同間距產(chǎn)生的互耦影響。利用HFSS對(duì)不同陣元間距進(jìn)行了仿真,得出不等間距對(duì)互耦的影響,因?yàn)槭鼙旧硖炀€尺寸的影響,陣元間距的最小間距d=80 mm。

實(shí)驗(yàn)分別對(duì)陣元間距 d=0.57 λ、d=0.7 λ、d=0.86 λ、d=λ的四單元線陣進(jìn)行仿真,圖7給出了二單元陣元示意圖,不同極化端口隔離度基本在-40 dB以下,其中影響互耦較大的是相鄰的同極化端口1、3和端口 2、4。

圖7 二單元陣元示意圖

圖8給出了不等間距間的同極化端口1、3和端口2、4相互間的隔離度,其中間距為 d=0.57 λ時(shí),在頻段內(nèi)間距的隔離度只有十幾個(gè)dB,互耦影響很大;d=0.7 λ時(shí),只能達(dá)到-20 dB,也不能滿足系統(tǒng)的要求;d=0.86 λ、d=λ,各個(gè)端口的隔離度效果理想,都在-25 dB以下。實(shí)驗(yàn)從仿真的角度驗(yàn)證了陣元互耦分析理論,達(dá)到了理想的效果。通過(guò)分析互耦確定了陣元的間距最小為 d=0.86 λ,從而為MIMO系統(tǒng)分析相關(guān)性提供了參考數(shù)據(jù)。

圖8 1、3和2、4同極化端口隔離度仿真圖

6.結(jié) 論

本文采用了雙H型縫隙耦合饋電的微帶天線單元,利用雙線饋電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了天線的雙極化特性,一對(duì)相互垂直的H型縫隙提高了端口隔離度,設(shè)計(jì)制作了MIMO基站端雙極化天線單元,測(cè)試結(jié)果與仿真較一致,滿足了設(shè)計(jì)要求。并分析了MIMO系統(tǒng)中天線陣元間的互耦相互作用,通過(guò)軟件仿真得出d=0.86 λ時(shí)基站天線陣最小陣元間距,為實(shí)現(xiàn)MIMO天線系統(tǒng)的高性能提供了良好的平臺(tái)。

[1]TABBANO S.Handbook of Mobile Radio Networks[M].Norwood：Artech House,2000.

[2]GODARA L C.Handbook of Antennas in Wireless Communications[M].BocaRaton：CRC Press,2002.

[3]王自力,龔耀寰.MIMO宏小區(qū)窄帶信道模型的相關(guān)性能分析[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2005,20(1)：37-42.WANg Zili,GONG yaohuan.Correlation characteristic analysis ofMIMO macro-cellnarrowband channel model[J].Chinese Journal of Radio Science,2005,20(1)：37-42.(in Chinese)

[4]李 忻,聶在平.天線互耦對(duì)MIMO無(wú)線信道性能的影響[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2005,20(4)：546-551.LI Xin,NIE Zaiping.Effect of mutual coupling on the performance of M IMO wireless channels[J].Chinese Journal of Radio Science,2005,20(4)：546-551.(in Chinese)

[5]ZHANG YAB IN,LIB INHON G,LIU YIJUN.A procedure to design aperture coupled stacked microstrip antenna based on experiment[J].Microwave and optical techno logy letters,2002,35(3)：244-247.

[6]TSAO C H,HWANG Y M,KILBURG F,et al.Aperture-coupled patch antennas with wide-bandwidth and dual-polarization capabilities[J].IEEE AP-s IntSymp,1988,3：936-939

[7]BHARTIA P,BAHL INDER,GARG R,et al.Microstrip Antenna Design Handbook[M].Norwood：Artech House Inc,2000.

[8]鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,1991.

[9]伍裕江,聶在平.一種新的互耦補(bǔ)償方法及其在DOA估計(jì)中的應(yīng)用[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2007,22(4)：541-544.WU Yujiang,NIE Zai Ping.A new mutual coupling compensation method and its application to DOA estimation[J].Chinese Journal of Radio Science,2007,22(4)：541-544.(in Chinese)

[10]ADVE S R,SARKAR K T.Compensation for the Effects of M utual Coupling on Direct Data Domain Algorithms[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2000,48(01)：86-94.