一種新型5GHz頻段4個單元MIMO天線系統(tǒng)的設(shè)計

宋凱凱

(中國傳媒大學，北京 100024)

1 引言

MIMO(Multi-input Multi-output，多輸入多輸出)是指通過多個天線發(fā)射和接收多個數(shù)據(jù)流，對提高數(shù)據(jù)率和信道容量有很大作用，同時，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、減小誤比特率[1]。現(xiàn)代無線通信技術(shù)的快速發(fā)展要求通信設(shè)備具有較高的數(shù)據(jù)率，而傳統(tǒng)SISO(Signal-input Signal-output )系統(tǒng)的信道容量由香農(nóng)公式?jīng)Q定，為滿足高速數(shù)據(jù)率這一要求，MIMO技術(shù)在第四代移動通信中得到廣泛應用，從發(fā)展趨勢可預見，在第五代移動通信中必為關(guān)鍵技術(shù)之一。

MIMO天線系統(tǒng)能有效的提高無線通信系統(tǒng)的性能，它可提供一個很高的數(shù)據(jù)率，從理論上來看，數(shù)據(jù)率的線性增加是由于發(fā)射和接受天線終端數(shù)目的增加而產(chǎn)生的。MIMO天線系統(tǒng)的另一個優(yōu)點是易于在小型移動設(shè)備或移動服務終端集成。然而，MIMO天線的設(shè)計也面臨很多挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)率的高低與天線的數(shù)量直接相關(guān)，設(shè)計緊湊的具有合理增益和其他性能的MIMO天線，使其易于在無線移動終端集成。由于天線系統(tǒng)總體積的限制，各個天線單元之間較近的距離會產(chǎn)生耦合，但增大單元之間的距離不是很實用對于小型的移動通信設(shè)備，所以高隔離度的多單元MIMO天線系統(tǒng)設(shè)計是很重要的[2]。

對于各個頻段MIMO天線的設(shè)計研究多種多樣，在文獻[3][4][5][6]中實現(xiàn)了不同結(jié)構(gòu)工作在2.4GHz MIMO 天線。在文獻[3]中，設(shè)計了一個緊湊型4單元MIMO天線，整體尺寸為100×50×0.8mm3，工作在2.48GHz時帶寬為50MHz，當相關(guān)系數(shù)為0.09時，天線單元之間的最小隔離度為10dB；文獻[4]設(shè)計了一個4x4平面倒F的MIMO天線，大小為120×120×16.4mm3，工作頻段在2.4-2.8GHz，有400MHz帶寬，該頻段內(nèi)反射系數(shù)在-7dB左右，各單元間的相關(guān)系數(shù)小于0.5；文獻[5]提出的天線結(jié)合了兩種天線，上面是一對反向印制的F天線，背面是一對四分之一波長的縫隙天線來提高上面兩F天線之間的隔離顧，該天線工作在2.48GHz，最大增益為2.4dBi，總體積為40×40×1.6mm3；論文[6]提出一款具有寬頻帶的天線，所在頻段為1.63-2.05GHz，隔離度好于24dB，最大增益為2.72 dBi，相關(guān)系數(shù)為0.01，尺寸為80×80×1.52mm3。在新的802.11ac無線局域網(wǎng)(WLAN)的通信標準下，頻率在5GHz的天線廣泛應用，在文獻[7][8]中均提出了此類天線。文獻[7]中，提出一個高度緊湊的工作在5GHz頻帶8單元MIMO天線，天線基于傳統(tǒng)的FR-4介質(zhì)，總尺寸為100×50×0.8mm3。天線單元之間的最小隔離度為10.5dB，單元最大增益為-0.16dBi；文獻[8]設(shè)計了由兩個PIFA構(gòu)成的工作在4.7-6.2GHz頻帶，文中有垂直和水平兩種構(gòu)造，天線尺寸適合在手機中使用。天線的設(shè)計研究已經(jīng)不僅僅局限于單一頻率，雙或多頻段的天線已經(jīng)研究出來，在文獻[9][10][11][12][13]中分別提出了工作在雙頻下的MIMO天線。在文獻[9]中，設(shè)計了一種緊湊型的雙頻微帶貼片陣列天線，工作在3.5GHz和5GHz頻率下，1×2和1×4的線性陣列均呈現(xiàn)出來，兩種陣列形式都滿足4G LTE和WLAN系統(tǒng)。文獻[10]中提出一種類似數(shù)字“4”形狀的MIMO天線，覆蓋頻段為734-790MHz和2307-2475MHz，基于介質(zhì)FR-4大小為58×110×1.56mm3。所得天線單元在770和2380MHz時的增益分別為-5和4.5dBi；文獻[11]中設(shè)計了一款電壓駐波比為2的雙頻水平極化平面MIMO天線，有3個單元，工作頻帶為2.4-2.5和4.9-6GHz，運用于OFDM WLAN系統(tǒng)；文獻[12]中提出了一多頻MIMO天線，頻帶分別有2.4-2.5GHz，3.4-3.6GHz，5.15-5.35GHz，5.57-5.875GHz。其天線單元由印制倒F天線構(gòu)成；一個工作在2.4和5.2GHz的四單元MIMO天線在文獻[13]中提出，天線單元由倒F和Koch單級子天線構(gòu)成。

本篇論文中，提出了一個遵循802.11ac標準，工作在5GHz的4單元MIMO天線系統(tǒng)，相比兩個單元天線系統(tǒng)，天線單元數(shù)目有所增加，天線的設(shè)計不同于之前大量的倒F天線。此次采用經(jīng)典的貼片天線作為基本天線模型，在四個貼片的中心位置的正下方，分別加載了微型圓柱，用來改善天線各個單元之間的耦合，即隔離度問題。天線匹配作為一基本問題，設(shè)計中通過在貼片上開縫隙來達到滿意的匹配效果。本文中MIMO天線系統(tǒng)的尺寸為100×50×0.8mm3.

以下內(nèi)容分三部分，第一部分，對天線的設(shè)計進行完整描述；第二部分，分析仿真結(jié)果；第三部分，全篇總結(jié)。

2 MIMO 天線設(shè)計

整個天線的設(shè)計在HFSS中完成，天線工作在5GHz，不同于以往的由單個輻射貼片構(gòu)成的天線，本文天線系統(tǒng)由四個相同的輻射貼片，而且實現(xiàn)了高度微型化。貼片天線易于構(gòu)造、廉價、很容易在電子產(chǎn)品中集成。設(shè)計中所采用的介質(zhì)為介電常數(shù)為4.4的FR4，其厚度為0.8mm，每個貼片天線的大小為18x14mm2，天線總體大小為100x50x0.8mm3，而四個單元只占天線總空間的50%。每個貼片由微帶線作為激勵，選取合適的微帶線寬度，使其匹配到50Ω。在每個貼片天線的底部嵌入一個微型圓柱，減小各單元之間的耦合作用，圓柱的大小對隔離度構(gòu)成了一定的影響，經(jīng)多次仿真結(jié)果，最終選定底面所嵌圓柱高為0.5mm，半徑為1mm。

整個MIMO天線系統(tǒng)中HFSS中的的模型如下圖，天線的上表面在圖1中，下表面在圖2中。

圖1

圖2

3 仿真結(jié)果

天線設(shè)計和仿真均在仿真軟件HFSS中進行。圖3中，顯示了天線的反射系數(shù)，當VSWR<3時，頻率范圍為4.84-5.1GHz，帶寬為260MHz。

圖3

隔離度是多單元MIMO天線系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，天線的性能直接與不相互耦合的單元個數(shù)決定，高隔離度是一個天線性能好所必不可少的，仿真所得隔離度的曲線如圖4所示，由于單元單元端口間的對稱性，圖中僅顯示了單元一與其他三個單元間的隔離度，由圖可知最小隔離度為24.3dB。天線單元的增益圖如圖5，最大增益方向上增益為1.42dB。

圖4

圖5

4 總結(jié)

本文設(shè)計了一個緊湊型工作在5GHz的4單元MIMO天線，該天線遵從IEEE802.11ac無線通信標準。采用傳統(tǒng)的FR-4介質(zhì)，整個天線的尺寸為100x50x0.8mm3。天線單元間的最小隔離度為24.3dB，單個天線單元的最大增益為1.42dB。所設(shè)計的天線可用于工作在5GHz頻段的手持和其他小型無線通信設(shè)備中。

參考論文

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