一種改善超寬帶MIMO天線隔離性能的方法

韓國瑞，方子皓，李 莉，田海琴，裴立力

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006)

0 引 言

隨著寬帶移動(dòng)通信設(shè)備的大量使用，使得原本就十分有限的通信頻帶資源愈發(fā)緊張，因此研究如何提高移動(dòng)通信頻帶的利用率，充分發(fā)揮現(xiàn)有頻帶資源的作用迫在眉睫[1].由于多徑效應(yīng)，多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-output，MIMO)技術(shù)能夠有效地提高信道容量、極大地增強(qiáng)信息傳輸效率，現(xiàn)已成為通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2].同時(shí)，MIMO天線還可以有效地抑制信道衰減，降低信道的誤碼率.但是，在MIMO天線系統(tǒng)中，由于存在多個(gè)天線單元，并受天線系統(tǒng)尺寸的限制，相鄰天線單元之間存在著很強(qiáng)的耦合，這種耦合會(huì)削弱天線的輻射效率，降低無線信道的傳輸效率，甚至使得通信系統(tǒng)無法正常工作.

近年來，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了很多方法來減少天線單元之間的耦合[3].然而，減少M(fèi)IMO天線間相互耦合并改善MIMO天線的隔離度仍然是一項(xiàng)艱巨的工作.文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了具有不同形狀的3個(gè)阻抗諧振器以產(chǎn)生新的耦合電流，減少了MIMO天線單元之間的電流耦合.文獻(xiàn)[5]通過改變微帶饋線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，天線之間的電流分布發(fā)生了顯著變化，從而提高了天線端口之間的隔離度.文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種新穎的電磁帶隙結(jié)構(gòu)來減少M(fèi)IMO天線介質(zhì)板表面的表面波，由此改進(jìn)了MIMO天線工作頻帶內(nèi)的隔離度.文獻(xiàn)[7，8]利用去耦網(wǎng)絡(luò)減少了天線單元之間的電磁耦合，通過改變天線端口之間的電流路徑改善了天線的隔離度.文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種新型的具有高隔離度的雙頻帶MIMO天線，通過在兩個(gè)天線單元的輻射貼片上分別刻蝕U形縫隙，不僅實(shí)現(xiàn)了雙頻特性，而且由于兩個(gè)天線分別工作在相互正交極化模式，相鄰端口也獲得了高的隔離.

本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單的二端口貼片超寬帶MIMO天線，天線單元采用矩形貼片和部分地結(jié)構(gòu)，并通過在天線接地板上設(shè)置帶有音叉分支的缺陷地諧振器，達(dá)到改善天線隔離度的目的.仿真結(jié)果表明，增加缺陷地結(jié)構(gòu)后，設(shè)計(jì)的MIMO天線的工作頻帶由3.3 GHz～9.1 GHz展寬到2.9 GHz～9.8 GHz，端口間的隔離度從13.5 dB 提高到19.3 dB.

1 超寬帶MIMO天線

1.1 天線結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的超寬帶 MIMO天線的結(jié)構(gòu)如圖1 所示.該天線印刷在厚度為1 mm的TLX-6基板上，相對(duì)介電常數(shù)為2.65，損耗角正切為0.002；天線的整體尺寸為40 mm×62 mm×1 mm.天線的輻射貼片和接地板分別位于電介質(zhì)基板的兩側(cè).天線的接地板采用部分地的形式，尺寸為L=24 mm，W=62 mm.超寬帶MIMO天線由兩個(gè)橫向并列放置的超寬帶單極子天線構(gòu)成.兩個(gè)超寬帶單極子天線之間的距離W3=37.8 mm.每個(gè)單極子天線包括一個(gè)矩形貼片和一條微帶饋線.矩形貼片的尺寸為L1=W1=13 mm，長度約為天線中心頻率f0=7 GHz時(shí)的二分之一波長.微帶饋線的寬度W2=2 mm，其特征阻抗為50 Ω，天線矩形貼片和接地板上邊沿的間隙g=1 mm.

圖1 超寬帶MIMO天線結(jié)構(gòu)Fig.1 Geometry of the UWB MIMO antenna

1.2 天線S參數(shù)仿真結(jié)果

超寬帶 MIMO天線的仿真S參數(shù)如圖2 所示.從圖2 可以看出，本文設(shè)計(jì)的超寬帶MIMO天線的反射系數(shù)S11在3.3 GHz～9.1 GHz的頻帶內(nèi)小于-10 dB，在5 GHz頻率時(shí)達(dá)到最小值-22.8 dB.由于兩個(gè)MIMO天線的端口之間存在強(qiáng)電磁耦合，導(dǎo)致兩個(gè)天線端口之間的隔離不好.由圖2 可知，該超寬帶MIMO天線兩個(gè)端口之間的S21在工作頻帶中均在-20 dB以上，在4 GHz 時(shí)甚至達(dá)到-13 dB.

圖2 MIMO天線S參數(shù)Fig.2 S parameters of MIMO antenna

2 改善隔離設(shè)計(jì)

2.1 音叉型諧振器設(shè)計(jì)

如圖3 所示，為了改善MIMO天線的隔離度，在超寬帶MIMO天線的接地板上蝕刻了一個(gè)寬槽，并在該槽中添加了一個(gè)音叉型枝節(jié)諧振器.槽的長度和寬度分別為L5=20 mm，W5=10 mm，音叉型枝節(jié)諧振器中間枝節(jié)長寬分別為L6=15.4 mm，W6=0.5 mm，邊上兩個(gè)枝節(jié)的長寬分別為L7=10 mm，W7= 1.2 mm.該諧振器結(jié)構(gòu)的添加，改變了天線接地上的電流分布，并且減小了MIMO天線端口之間的耦合電流.

圖3 缺陷地的MIMO天線結(jié)構(gòu)Fig.3 Geometry of the MIMO antennna with DGS

圖4 為4 GHz時(shí)，設(shè)置缺陷地和未設(shè)置缺陷地的MIMO天線接地板上的電流分布.

(a) 未設(shè)置缺陷地

由圖4 可以看出，添加諧振器后MIMO天線端口之間的耦合電流明顯降低了.這是由于諧振器上電流的相位與天線單元間原有的耦合電流的相位相反，天線端口之間的耦合電流被抵消了.因此，本文設(shè)計(jì)的超寬帶 MIMO天線的阻抗匹配和隔離度被大大改善，特別是較低頻率段改善效果尤其明顯.

如圖5 所示，采用缺陷地結(jié)構(gòu)后，本文所設(shè)計(jì)的超寬帶 MIMO天線10 dB的阻抗帶寬從 3.3 GHz～9.1 GHz擴(kuò)展到2.9 GHz～9.8 GHz；同時(shí)，S21的最大值從-13 dB減小到-19.3 dB.與沒有添加諧振結(jié)構(gòu)相比，天線端口之間的隔離度在整個(gè)工作頻帶內(nèi)都有明顯的改善.

圖5 設(shè)置缺陷地前后的仿真結(jié)果Fig.5 Simulated results with and without DGS

2.2 天線輻射特性

天線E-面和H-面輻射方向圖的仿真結(jié)果如圖6 所示.圖6 (a)為5 GHz時(shí)，天線E-面的輻射方向圖，其主極化呈現(xiàn)八字形.由于兩個(gè)天線之間的相互影響，E-面主極化最大輻射方向不再是0°和180°，而變?yōu)?8°和152°.圖6(b) 為 5 GHz 時(shí)，天線H-面的輻射方向圖，其主極化呈現(xiàn)近似圓形.

(a) 5 GHz時(shí)，E-面

圖6(c) 為8 GHz時(shí)，天線E-面的輻射方向圖，其主極化也近似八字形，最大輻射方向?yàn)?28°和212°.圖6(d) 為8 GHz時(shí)，天線H-面的輻射方向圖，與圖6(b)相比，其主極化輻射圖有稍許變形.從圖6 可觀察到，兩個(gè)工作頻率天線具有相同的極化方向，并均具有良好的全向輻射特性.

3 結(jié) 論

本文研究了一種平面超寬帶 MIMO天線的阻抗特性和隔離特性.為了減少兩個(gè)天線端口之間的耦合，在MIMO天線接地板上添加了一個(gè)寬槽和一個(gè)音叉型的諧振器.仿真結(jié)果表明，采用這種缺陷地結(jié)構(gòu)，不僅拓寬了超寬帶天線的阻抗帶寬，而且大大改善了天線端口間的隔離度.天線的反射系數(shù)S11在2.9 GHz～9.8 GHz頻帶中均低于-10 dB，最小值為-26 dB；同時(shí)，天線端口的隔離度在工作頻帶內(nèi)大于19.3 dB，在9.3 GHz時(shí)，隔離度超過 37 dB.