一種基于椎體振子的寬帶MIMO天線設計

康志杰，馬鐵軍

(河北遠東通信系統工程有限公司，河北 石家莊 050200)

0 引言

隨著軌道交通中車地間通信業務量的不斷增加，現有的公網4G網絡已無法承載大量業務數據的高速傳輸，為了給司乘人員提供更加優質、穩定的無線接入服務，進一步提升地鐵列車乘坐期間的互聯網使用體驗，同時也為了達成智慧城軌的建設目標，推出一款可以同時兼容4G、5G兩種通信制式的列車車載式寬頻段MIMO天線已迫在眉睫。

天線作為無線通信系統中非常重要的一環，起到收發電磁波信號的作用，其性能指標的好壞會直接影響到整個系統的通信品質。因此，對于如何讓天線保持寬工作頻帶的同時，還兼具小型化、高隔離度、低回波損耗等特點，成為許多國內外工作人員研究的重點。目前，地鐵列車中的車地通信天線普遍采用魚鰭天線的形式，該類天線具備高增益、小型化、低風阻等優點，但是其缺點也不容忽視，比如工作帶寬窄、增益不夠高、端口隔離度差、高頻主波束方向容易發生偏移等。

本文提出了一種采用錐體振子為基本輻射單元的寬帶MIMO天線，通過對錐體振子結構進行改進和增加金屬隔離銅片的方式[1-5]，實現天線工作頻段的拓展和振子間隔離度的提升，更好地滿足軌道交通車地間的通信需求。

1 椎體振子結構設計

普通的單錐體天線由無限雙錐天線依據鏡像原理演變而來，可以在較小物理尺寸下實現一定的寬帶性能。通過使用連續阻性加載[6-10]的方法，吸收因天線輻射體末端阻抗不匹配產生的反射波，提高天線的行波特性，降低阻抗失配造成的影響，可以進一步拓展天線的工作帶寬。

本文在此基礎上，創新性地采用半圓形椎體[11-15]振子結構，同時在振子天線的饋電端增加了阻抗匹配轉環節[16-18]，實現椎體輻射面的平滑過渡，降低因結構不連續性導致的電磁波反射，使得天線的寬帶性能進一步得到提升。同時，針對半圓形椎體振子本身回波損耗較高的問題，采用在椎體振子半圓形弧面和金屬地之間增加金屬接地柱的方法，提升椎體振子天線的感抗、抵消容抗，降低振子的回波損耗，椎體振子天線的三維結構模型如圖1所示。

圖1 椎體振子的三維結構模型Fig.1 3D model of conical element

椎體振子的外形結構如圖2所示，各項結構參數初始值設定如表1所示。其中：d1為天線饋電內芯直徑，d2為阻抗匹配轉環節下端口直徑，d3為天線介質層與阻抗匹配轉環節下端口半徑差值，d4為阻抗匹配轉環節上端口與天線介質層半徑差值，d5為半圓形金屬輻射體內壁與阻抗匹配轉環節上端口半徑差值，d6為金屬輻射體內外半徑差值，d7為金屬輻射體上邊沿寬度，d8為金屬接地柱直徑，d9為金屬輻射體圓心與金屬接地柱圓心的距離。h1為金屬輻射體上邊沿厚度，h2為天線饋電內芯高度，h3為金屬輻射體上沿與金屬地的距離。

(a) 椎體振子水平視圖

表1 椎體振子的結構參數Tab.1 Structure parameters of conical element 單位：mm

2 椎體振子的仿真分析

使用Ansoft HFSS對椎體振子的回波損耗性能進行仿真分析(仿真所用底板尺寸為336 mm×336 mm)，結果如圖3所示。仿真結果表明，在椎體振子半圓形弧面和金屬地之間添加金屬接地柱后，其回波損耗性能在0.7～4 GHz的仿真頻段內普遍得到了優化，其中回撥損耗低于-10 dB的帶寬占比96%、低于-15 dB的帶寬占比84%、低于-20 dB的帶寬占比71%。尤其是在0.8～1 GHz的頻率范圍內，回波損耗由原來的-2～-6 dB降低為-10～-25 dB，有效提高了椎體振子在Band5(824～894 MHz)和Band8(880～960 MHz)這2個低段4G頻點的輻射性能。

圖3 椎體振子的回波損耗Fig.3 Return loss of conical element

為了進一步對椎體振子天線的性能進行分析和優化，接下來利用Ansoft HFSS的變量掃描分析功能，以d8、d9兩個結構參數作為變量，研究分析其對椎體振子天線回波損耗性能的影響。

2.1 金屬接地柱直徑d8對振子性能的影響

保持椎體振子天線各項結構參數不變，將金屬接地柱的直徑d8作為變量，對d8分別為4,6,8,10 mm時，椎體振子天線的回撥損耗性能，進行仿真分析。仿真結果表明,隨著金屬接地柱直徑的變小，椎體振子的回撥損耗也可以得到有效降低，當d8=4 mm時，回波損耗最低可達-27 dB。但是相對于6 mm，d8=4 mm時對回撥損耗的改善已經非常微小，且在0.9～1.2 GHz、3.4～4 GHz兩個頻段出現性能指標惡化。考慮到金屬接地柱直徑太小會導致加工難度增大、不同振子的性能一致性變差等因素，采用d8=6 mm作為最終的金屬接地柱直徑，相比于d8=10 mm，天線的回撥損耗可以得到非常顯著的改善。椎體振子天線回波損耗與d8的仿真結果如圖4所示。

圖4 回撥損耗與d8的關系Fig.4 Relationship between return loss and d8

2.2 圓心間距d9對椎體振子性能的影響

根據2.1節的仿真結果，將金屬接地柱的直徑d8設置為6 mm，同時保持其余的各項結構參數指標不變。利用Ansoft HFSS的變量掃描功能，對金屬輻射體圓心與金屬接地柱圓心的間距d9分別為15，18，21 mm時，椎體振子天線回撥損耗性能的變化，進行進一步的仿真分析。仿真結果表明，隨著輻射體圓心與接地柱圓心間距的不斷變大，回撥損耗也可以得到有效的降低，相比于15 mm，d9=21 mm時回撥損耗可以有效改善3～13 dB。因此，采用可允許的最大間距d9=21 mm作為最終的圓心間距。回撥損耗與d9的仿真結果如圖5所示。

圖5 回撥損耗與d9的關系Fig.5 Relationship between return loss and d9

2.3 椎體振子天線的方向圖

為了進一步分析天線的方向性，為后續工程應用提供可參考的數據支撐，根據2.1節和2.2節的仿真結果，依據移動、聯通、電信三大運營商現階段常用的4G和5G頻點信息，在0.7～4 GHz的工作頻段內，選取4個主要頻點，對椎體振子天線在這些頻點的方向圖進行仿真分析，所選取的主要頻點信息如下：0.88 GHz(對應LTE-Band5和Band8頻段)、1.9 GHz(對應LTE-Band3和Band39頻段)、2.6 GHz(對應LTE-Band38和Band41、5G-N41頻段)和3.5 GHz(5G-N78頻段)。利用Ansoft HFSS的方向圖繪制功能，對椎體振子天線在x-z平面、y-z平面的二維輻射方向圖進行仿真，分析天線在上述4個頻點的方向圖情況，其仿真結果如圖6所示。

仿真結果顯示，由于采用了單側添加金屬接地柱的結構設計方法，導致椎體振子天線x-z平面的方向圖呈現出不對稱的形狀，因此在實際的工程應用中，應將天線高增益的一側朝向地鐵軌旁的公網漏纜方向，以便獲取更好的通信性能。同時，通過仿真結果可以明顯看到，隨著工作頻率的提高，椎體振子天線的增益呈現出逐漸變大的趨勢，天線整體增益保持在4.6～8 dBi的范圍內，其中，0.88 GHz頻點的最大增益為4.7 dBi，1.9 GHz頻點的最大增益為6.6 dBi，2.6 GHz的最大增益為7 dBi,3.5 GHz的最大增益為7.9 dBi。

(a) 天線在0.88 GHz的方向圖

3 天線設計與仿真

本文所設計的寬頻帶MIMO天線由4個第2節所述的椎體振子天線組合而成。為了進一步提高天線的工作性能，采用在椎體振子之間增加金屬隔離銅片的方法，可以有效提高寬帶MIMO天線端口間的隔離度。

寬帶MIMO天線結構參數如圖7所示，天線整體呈現中心對稱結構，其中天線基板為336 mm×336 mm×3 mm的FR4板材，椎體振子分布在天線基板的4個邊角，相鄰振子的中心間距為240 mm，振子間3個隔離銅片的長度分別為20,60,20 mm，隔離銅片間距為20 mm，天線可實現4通道的MIMO效果。天線端口間隔離度的仿真結果如圖8所示。仿真結果顯示，增加金屬隔離銅片后，寬帶MIMO天線相鄰端口間的隔離度在整個頻帶內(0.7～4 GHz)可以得到顯著的改善，改善程度在10 dB以上的帶寬占比可達50%以上。

圖7 MIMO天線的結構參數Fig.7 Structural parameters of MIMO antenna

圖8 MIMO天線端口隔離度Fig.8 Port isolation of MIMO antenna

4 天線隔離度測試

對加工后的天線進行相鄰端口間隔離度測試，并將實測值與仿真值進行對比，結果如圖9所示。可以看到，端口隔離度的實測值與仿真值整體變化趨勢相同，由于加工工藝、焊接工藝、材料質量等方面的原因，實測值和仿真值有所差別，但與不加金屬隔離銅片相比，仍有明顯提升。

圖9 天線端口隔離度實測結果Fig.9 Test results of antenna port isolation

5 結束語

本文對傳統意義上的單錐天線進行結構上的創新與改進，通過使用連續性漸變轉環節，拓展椎體振子的工作帶寬，通過在振子半圓形弧面和金屬地之間增加金屬接地柱，有效降低椎體振子的回波損耗。通過Ansoft HFSS對關鍵性能指標進行掃描分析，得出最優的結構參數，提升了單一椎體振子的工作帶寬、回波損耗等性能參數。基于改善后的椎體振子，設計了一款4通道寬帶線極化MIMO天線，該天線工作于0.7～4 GHz，可覆蓋現階移動、聯通、電信主要的4G和5G頻點，同時可以有效解決運營商在2G退網后，將現有2G頻點用作4G，導致車載天線無法在新4G頻點中使用的問題，在軌道交通和其他有大量公網業務傳輸需求的行業中，具有非常良好的應用前景。