一種應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)的MIMO天線

摘 要：MIMO系統(tǒng)是通過不同的分集技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)在相同帶寬和發(fā)射功率的條件下大幅改善系統(tǒng)容量和可靠性，減小信道失真。作為系統(tǒng)關(guān)鍵模塊之一的天線，則要求有著好的分集特性，并接收較多的達(dá)波。這里提出的MIMO天線工作在2.4 GHz，天線單元是等邊三角形貼片天線。三角形天線的寬波瓣可以使MIMO天線接收更豐富的多徑達(dá)波，與天線單元的高增益相結(jié)合能較好改善MIMO系統(tǒng)的SNR和抗干擾能力。通過對天線端口間的互耦和相關(guān)性分析，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)好的極化和方向圖分集，獲得高的分集增益。

關(guān)鍵詞：MIMO； 互耦； 相關(guān)性系數(shù)； 三角形貼片天線； 分集

中圖分類號：TN82134 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004373X（2012）22008103

無線網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)的發(fā)展，對通信系統(tǒng)容量和可靠性的要求越來越高，傳統(tǒng)SISO（Single Input and Single Output）系統(tǒng)受信道容量的制約，已經(jīng)難以滿足多媒體通信的需要［12］。結(jié)合發(fā)射分集、接收分集和信道編碼技術(shù)的MIMO（Multiple Input and Multiple Output）無線系統(tǒng)，利用空間并行傳輸通道，把非相關(guān)信號以相同功率水平發(fā)射，然后結(jié)合分集技術(shù)對多徑信號進(jìn)行合并，在不增加帶寬和發(fā)射功率的情況下，則可以大幅改善系統(tǒng)容量和可靠性，減小信道失真。作為MIMO系統(tǒng)終端的天線不僅直接影響著信道容量，而且對系統(tǒng)穩(wěn)定性也起著至關(guān)重要的作用。設(shè)計性能優(yōu)異的分集天線，以及進(jìn)行空間環(huán)境對天線系統(tǒng)的影響是當(dāng)前MIMO系統(tǒng)研究的重點(diǎn)之一，并且諸多MIMO終端天線結(jié)構(gòu)得到了深入研究［34］。

MIMO系統(tǒng)對終端的要求主要在于最大的信道容量和最小的比特誤差率（Bit Error Rate，BER），具體體現(xiàn)在天線方面就是要求天線多分集、寬波瓣、高隔離和高增益［5］。結(jié)合MIMO天線的要求和不同類型天線輻射方向圖、極化等特性，本文提出了一種緊湊的MIMO天線。該天線用微帶三角形貼片天線實(shí)現(xiàn)，寬的波瓣寬度使天線工作在多模，結(jié)合緊湊的結(jié)構(gòu)布局，使天線能夠?qū)崿F(xiàn)好的輻射方向圖和極化分集，如果采用文獻(xiàn)［6］提出的中間開槽雙短路墻的三角形天線單元則能更好改善帶寬，獲得接近全向的輻射方向圖，提高天線的分集和多徑接收性能。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

該MIMO天線工作在2.4 GHz，三個天線單元以頂點(diǎn)相對的方式排列在90 mm×120 mm的基板上，基板材料是介電常數(shù)為4.4的FR4材質(zhì)，板厚1.0 mm，基板底部是接地面。為增加天線單元間的隔離度，基板底部的接地面由槽分成了三塊。天線單元是以38 mm為邊長的等邊三角形貼片天線，饋電點(diǎn)離頂點(diǎn)處的距離為18 mm，三個天線單元相同，具體的排列結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示（單位：mm）。圖2所示為天線實(shí)物照片，天線由RG178同軸線饋電，連接器為SMA型。

圖2 天線實(shí)物照片圖3為天線回波損耗的仿真和測試圖。由圖可知，回波損耗的測試曲線和仿真曲線基本吻合，天線實(shí)測阻抗帶寬為70 MHz，稍微窄于仿真時的80 MHz帶寬，但其帶寬還是能夠完全滿足當(dāng)前2.4 GHz無線通信系統(tǒng)的要求。

對于移動終端，由于空間較小，天線單元之間的間距一般都較小，甚至小于λ/4。在這種情況下，單元間互偶對天線性能的影響就不再可以忽略。由于互偶存在，天線系統(tǒng)中天線單元電流分布將會改變，造成輻射方向圖畸變，天線系統(tǒng)的極化特性變差，在SIMO和MISO中會降低天線的性能。而在MIMO系統(tǒng)中，互偶會增加天線的相關(guān)性降低天線性能，但方向圖的畸變可以產(chǎn)生方向圖極化分集效果，使天線工作在多模，增強(qiáng)分集增益和MIMO系統(tǒng)的接收能力［3］。

互耦是由表面波和空間波引起的，對于薄基片，表面波的影響可以忽略，互耦產(chǎn)生的主要原因是單元間的空間波。天線的互耦可以通過測量天線端口間的隔離度獲得［7］。圖4所示為不同端口間的隔離度，據(jù)圖可知在2.4 GHz端口間的隔離度都在-30 dB左右，由于天線單元1和天線單元3之間距離較遠(yuǎn)，互耦較小，S31最大為-32 dB，天線單元2與單元1和單元3之間距離較近，互耦較大，S21為-28 dB，而S23為-29 dB。由于本文所設(shè)計天線在2.4 GHz時端口間隔離度最小為-28 dB，所以能夠較好滿足MIMO天線對互耦的要求。另外，接地面的分離對減小端口間的互耦有1 dB左右的貢獻(xiàn)。

圖4 不同天線單元間隔離度測試圖（Sij）互耦使天線單元的輻射方向圖不同于孤立單元方向圖。從天線結(jié)構(gòu)圖（見圖1）可知，三個天線單元是以頂點(diǎn)相對的形式排列，極化方向垂直。圖5和圖6分別表示MIMO天線在E面和H面的輻射方向圖，從圖可知，位于中間的天線單元受互耦影響較大，E面方向圖幾乎畸變?yōu)槿颍黾恿颂炀€輻射方向圖分集。天線單元1和單元3雖然也受到互耦影響，還較多保持了等邊三角形貼片天線的輻射方向圖特征。這和通過端口間的隔離度的分析是一致的。

MIMO天線的分集特性主要依靠天線間的交叉相關(guān)和信道平均功率水平。交叉相關(guān)能用包絡(luò)相關(guān)系數(shù)ρeij（Envelope Correlation Coefficient）表征，它和復(fù)合相關(guān)系數(shù)ρcij（Complex Correlation Coefficient）的關(guān)系為：ρeij≈∣ρ2cij∣，ρeij能通過輻射方向圖計算，也能通過端口間的互耦和信道統(tǒng)計來評估［1］。

如果僅考慮均勻隨機(jī)場（Uniform Random Field）， 不考慮天線的損耗，包絡(luò)相關(guān)系數(shù)也可以通過S參數(shù)計算［7］：ρ=∣S*11S12+S*21S22∣2（1-∣S11∣2-∣S21∣2）（1-∣S22∣2-∣S12∣2）

（1） 互耦會增加相關(guān)性系數(shù)，同時互耦也會造成輻射方向圖畸變，形成分集特性，而分集能夠減小相關(guān)性系數(shù)。從圖1可知，天線頂點(diǎn)相對的結(jié)構(gòu)使天線間形成垂直極化，互耦形成的輻射方向圖分集，都有利于降低天線單元間的相關(guān)性，增強(qiáng)MIMO天線系統(tǒng)能力。根據(jù)測量結(jié)果并運(yùn)用式（1）進(jìn)行計算，本文所述天線單元1和單元3之間的相關(guān)系數(shù)為0.4，單元2和單元1，單元3之間的相關(guān)系數(shù)在0.5左右，能夠較好滿足天線分集性能的要求。

圖6 天線在2.65 GHz所測H面輻射方向圖為了接收豐富的多徑信號，提高信號的信噪比SNR（signal to noise ratio），MIMO系統(tǒng)要求天線的波瓣圖要寬，增益要高。由于微帶天線中，三角形貼片天線的波瓣圖最寬，能接收更多的散射達(dá)波，更好利用空間資源，所以本文所述天線單元既是用等邊三角形貼片天線實(shí)現(xiàn)的。圖5所示的E場方向圖，其中（a）和（c）的波瓣寬度能達(dá)到120°，（b）在互耦的影響下幾乎成為全向，這都有利于接收豐富的多徑信號，達(dá)到角度分集的作用。天線單元在諧振頻率2.4 GHz時，其各單元增益為2.8 dBi左右，運(yùn)用到系統(tǒng)中時，能夠較好改善系統(tǒng)的SNR和抗干擾能力［8］。

4 結(jié) 語

本文所提出天線是工作在2.4 GHz的三單元MIMO天線。等邊三角形貼片天線單元的采用和緊湊小巧的布局使天線獲得了好的極化和方向圖分集，能夠應(yīng)用于諸多無線通信終端系統(tǒng)。三角形貼片天線輻射方向圖的寬波瓣和互耦造成的中間單元天線幾乎全向的方向圖都可以讓天線接收更多的達(dá)波，提高M(jìn)IMO系統(tǒng)的SNR。高隔離度降低了端口間的相關(guān)性，與天線單元的高增益相結(jié)合，能很好滿足MIMO系統(tǒng)對天線分集增益的要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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