一種小型化超寬帶MIMO天線的設(shè)計(jì)

楊 闊，劉 川

(阿壩師范學(xué)院 應(yīng)用物理研究所，四川 汶川 623002)

0 引言

早在19世紀(jì)末，學(xué)者們就對(duì)超寬帶和多入多出技術(shù)分別展開(kāi)了研究。將二者結(jié)合所具有的能夠更大限度地提高信道容量和對(duì)抗多徑衰落的巨大優(yōu)勢(shì)，使得UWB-MIMO技術(shù)成為了無(wú)線通信領(lǐng)域的大趨勢(shì)[1]。但由于MIMO天線的高隔離度要求，天線單元需要分置距離大于中心頻率對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng)度，這個(gè)條件無(wú)形中增加了天線的尺寸。如何滿足UWB-MIMO天線的高隔離度要求，同時(shí)盡可能地減小天線尺寸，適應(yīng)人們對(duì)通訊設(shè)備的小型化要求，成了許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重要方向。現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)天線小型化的方法主要有：減小天線單元尺寸、減少天線數(shù)量和縮短天線單元間距、加入左手材料[2]等。其中，減小天線單元尺寸最為常見(jiàn)，主要有半切法[3-6]、運(yùn)用互補(bǔ)結(jié)構(gòu)[5-9]等方式。在MIMO天線提高隔離度的研究中，主要的方法是在地板上開(kāi)槽[10-13]和增加各種隔離結(jié)構(gòu)[14-16]，這2種方式都是通過(guò)改變電流路徑來(lái)降低天線單元之間的耦合。

本文根據(jù)半切法和增加“T”形隔離結(jié)構(gòu)的方法，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的小型化超寬帶MIMO天線。這使該天線尺寸降低到22 mm×28 mm，通過(guò)三維電磁仿真軟件HFSS設(shè)計(jì)優(yōu)化，得出該天線的工作頻帶內(nèi)隔離度達(dá)到15 dB以上，高頻段甚至達(dá)到了25 dB，滿足了小型化和高隔離度的要求。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 類圓形單極子天線

因?yàn)閱螛O子天線具有尺寸小、頻帶寬和成本低等顯著特點(diǎn)，很多學(xué)者研究了單極子UWB天線，并在單極子天線的基礎(chǔ)上進(jìn)行了多種改進(jìn)。本文所采用的類圓形平面單極子天線如圖1所示，并采用HFSS軟件進(jìn)行了仿真優(yōu)化，得到整個(gè)天線的尺寸為22 mm×22 mm。

圖1 類圓形平面單極子天線Fig.1 Quasi-circular planar monopole antenna

類圓形平面單極子天線S11曲線如圖2所示。

圖2 類圓形平面單極子天線的S11曲線Fig.2 S11 curve of quasi-circular planar monopole antenna

由圖2中的S11參數(shù)結(jié)果可以看出，該單極子天線在頻率為6.7～9.7 GHz范圍內(nèi)S11低于-10 dB，工作頻段較寬。

1.2 基于類圓形單極子天線的MIMO天線設(shè)計(jì)

為將該單極子天線設(shè)計(jì)為MIMO天線時(shí)減小天線尺寸，使用半切法來(lái)實(shí)現(xiàn)MIMO天線的小型化，如圖3所示。將類圓形單極子天線進(jìn)行沿對(duì)稱中線進(jìn)行切割，在保持同樣輻射頻帶的同時(shí)，輻射貼片面積減小了接近一半。但這種方法也有很大缺陷，就是不僅會(huì)導(dǎo)致天線的增益減小，還會(huì)使輻射方向變得不對(duì)稱。但是，如果將這種半切的天線設(shè)計(jì)為MIMO天線后經(jīng)過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化，使得2個(gè)單極子天線的方向圖的相對(duì)方向可以互補(bǔ)，則不僅可以彌補(bǔ)半切天線的缺陷，還能夠降低耦合度，提升天線的增益。

圖3 半切法小型化單極子天線Fig.3 Half cut miniaturized monopole antenna

本文將半切單極子天線設(shè)計(jì)為MIMO天線，天線結(jié)構(gòu)如圖4所示，該天線為二單元天線，共有2個(gè)端口，平面尺寸為22 mm×28 mm，2個(gè)輻射單元分別位于介質(zhì)基板正面的兩側(cè)并相互對(duì)稱。圖5是該天線的模擬S參數(shù)圖。

圖4 半切MIMO天線Fig.4 Half cut MIMO antenna

半切MIMO天線的參數(shù)如圖5所示。

圖5 半切MIMO天線的S參數(shù)Fig.5 S parameters of the half cut MIMO antenna

由圖6可以看出，S11低于-10 dB的頻率范圍有小幅度的增加(6.5～10 GHz)，但S21低于-10 dB 的頻率范圍較小，效果明顯偏差。這說(shuō)明，該MIMO天線的隔離度還有待提高。

1.3 MIMO天線隔離結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了更大程度地降低天線二單元之間的耦合，優(yōu)化天線低頻段的輻射特性和匹配特性，在單元天線之間增加一個(gè)“T”形隔離帶與地板相連，天線結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖6所示。

圖6 UWB-MIMO天線結(jié)構(gòu)及參數(shù)Fig.6 UWB-MIMO antenna structure and parameters

因?yàn)門形隔離帶的對(duì)天線的S參數(shù)影響較大，以下主要對(duì)T形隔離帶的W1和L2兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析。

圖7和圖8是分別對(duì)W1和L2參數(shù)掃描后的S參數(shù)曲線圖。從圖7可以看到W1的增大對(duì)天線的S11影響不大，但會(huì)使S21低頻端的最小值向更低的頻率偏移。從圖8可以看出，L2的值變化會(huì)明顯影響到天線的S參數(shù)。L2=12 mm時(shí)，天線在頻率為3.7 GHz的阻抗匹配良好，且S11在整個(gè)頻段可以達(dá)到最小值-39 dB。在L2逐漸增加到20 mm 的過(guò)程中，因?yàn)榈皖l的工作頻率偏移愈來(lái)愈大，導(dǎo)致匹配效果變差。同時(shí)S11最小值也有所增加，S21在整個(gè)頻段都呈惡化趨勢(shì)。說(shuō)明T隔離枝節(jié)頂端的窄帶枝節(jié)并非越長(zhǎng)越好，枝節(jié)太長(zhǎng)會(huì)影響到天線的輻射性能和匹配性能。最后，本文選取了W1=0.8 mm和L2=12 mm作為優(yōu)化后的參數(shù)值。

圖7 參數(shù)W1對(duì)天線S參數(shù)的影響Fig.7 Effect of parameter W1 on antenna S parameter

圖8 參數(shù)L2對(duì)天線S參數(shù)的影響Fig.8 Effect of parameter L2 on antenna S parameter

2 MIMO天線的設(shè)計(jì)結(jié)果

2.1 MIMO天線結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)對(duì)T型隔離結(jié)構(gòu)的參數(shù)分析，本文設(shè)計(jì)的小型化UWB-MIMO天線的具體參數(shù)值如表1所示。

表1 UWB-MIMO天線的優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)值Tab.1 The optimized structural parameters of the UWB-MIMO antenna mm

該天線的介質(zhì)板為Rogers 4350 B，相對(duì)介電常數(shù)為εγ=3.5，損耗正切為 0.004。天線尺寸為22 mm×28 mm×0.8 mm，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸較小。

2.2 MIMO天線電流分布圖

圖9給出了天線在3.2 GHz加入隔離結(jié)構(gòu)前后天線的電流分布對(duì)比圖(端口1饋電)。圖9(a)中沒(méi)有引入隔離結(jié)構(gòu)，端口2出現(xiàn)了明顯的表面電流，這些電流均是從端口1耦合而來(lái)，說(shuō)明天線單元之間的隔離度較差。圖9(b)引入了T形隔離結(jié)構(gòu)后，端口2沒(méi)有出現(xiàn)明顯的表面電流，而隔離帶上出現(xiàn)了明顯的耦合電流，說(shuō)明端口1和端口2的耦合通過(guò)隔離帶得到了有效抑制。

圖9 增加隔離帶前后MIMO天線的電流分布圖Fig.9 The current distribution of the MIMO antenna before and after adding the isolation belt

2.3 MIMO天線的主要性能參數(shù)

圖10給出了MIMO天線的S參數(shù)，可以看出，S21的低頻段完全下降到-10 dB，高頻段下降到-25 dB。S11在3.2～9.5 GHz范圍內(nèi)能低于-10 dB，相對(duì)帶寬達(dá)到81.9%，達(dá)到UWB的標(biāo)準(zhǔn)。該天線最突出的優(yōu)勢(shì)在于當(dāng)S11在最低值-38.9 dB時(shí)，同頻率的S21能夠達(dá)到-26 dB，取值接近。低頻區(qū)域內(nèi)的3.7 GHz頻點(diǎn)處，S11和S21的值有著明顯的同步下降，說(shuō)明該天線增加的隔離帶很好的調(diào)節(jié)了輸入阻抗，使之能和天線達(dá)到匹配。圖11給出了天線在3.2 GHz處的E面方向圖，可以看出，由于引入了隔離帶，天線方向圖的對(duì)稱性受到一些影響。

圖10 MIMO天線的S參數(shù)Fig.10 S parameters of the MIMO antenna

圖11 E面方向圖(3.2 GHz)Fig.11 E plane pattern (3.2 GHz)

圖12給出了天線在3.2 GHz處3D增益方向圖，圖13給出了3～10 GHz頻段內(nèi)的峰值增益曲線，可以看出增益在2.5～5.0 dB之間波動(dòng)。

圖13 頻帶內(nèi)天線的峰值增益曲線Fig.13 The peak gain curve of the antenna within the frequency band

3 結(jié)束語(yǔ)

MIMO天線的小型化和隔離度是MIMO天線在設(shè)計(jì)研究和應(yīng)用時(shí)所要考慮的重要方面，同時(shí)也是難點(diǎn)。本文采用半切法和增加隔離結(jié)構(gòu)的方法設(shè)計(jì)研究了一種小型化超寬帶MIMO天線，該天線具有較好的輻射性能和隔離度。結(jié)果表明，通過(guò)增加隔離結(jié)構(gòu)，減小了天線的尺寸，同時(shí)改善了天線整體的性能，使得天線的隔離度大于15 dB，相對(duì)帶寬達(dá)到81.9%，該天線在超寬帶無(wú)線通信領(lǐng)域中有較好的應(yīng)用價(jià)值。