高隔離度濾波MIMO天線研究

付元旭,梁志茂

(云南民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

MIMO技術(shù)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中被廣泛應(yīng)用以增加通信系統(tǒng)的信道容量，主要采用802.11協(xié)議.而相鄰的2個(gè)輻射單元之間不可避免的相互耦合從而影響整個(gè)天線的性能.影響相鄰天線的接收.對(duì)此MIMO天線的研究集中在相鄰天線之間的去耦方式，目前去耦的方式共有6類方式，增加MIMO天線的物理距離和改變幾何排布[1]，加載諧振器去耦[2-4]，部分延伸接地平面與缺陷地結(jié)構(gòu)去耦[5]，寄生單元去耦[6]，中和線去耦[7]，去耦網(wǎng)絡(luò)去耦[8].以上去耦方法中加載諧振器去耦結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，應(yīng)用比較廣泛，但同頻段去耦方式單一，去耦隔離效果差，所以文中提出用濾波諧振去耦的新方法.采用濾波原理去耦同頻相鄰輻射單元，去耦隔離度達(dá)到 -40 dBi(4.2～5 GHz，6．1～6．7 GHz).

1 濾波高隔離度的原理

1.1 模型介紹

圖1是MIMO天線輻射結(jié)構(gòu)圖，該天線采用微帶饋電，采用玻璃纖維環(huán)樹脂覆銅板(FR-4)的材質(zhì)作為介質(zhì)板，該材料結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易加工.中間部分就是濾波微帶線，兩邊是獨(dú)立的微帶天線，通過微帶濾波線去耦2個(gè)獨(dú)立微帶天線，2個(gè)輻射貼片尺寸相同，饋電位置及尺寸也相同.

圖1 MIMO 天線輻射層結(jié)構(gòu)

利用濾波原理計(jì)算濾波階數(shù)，并通過濾波階數(shù)計(jì)算濾波的參數(shù)，計(jì)算微帶線寬度W1，W2，W3和微帶線之間的距離S1，S2，S3.依據(jù)濾波理論求出以上參數(shù)需要計(jì)算幾階濾波器，求出耦合系數(shù)(自身耦合和帶外耦合)，計(jì)算微帶濾波的間距，計(jì)算微帶濾波寬度.

1.2 微帶濾波原理

計(jì)算幾階濾波器[9]，也就是需要多少微帶線.公式(1)中n是濾波階數(shù)，f1是上邊帶截止頻率，f2是下邊帶截止頻率，ε是帶內(nèi)衰減系數(shù)，a是帶外抑制系數(shù).

(1)

(2)

通過公式(2)計(jì)算自耦系數(shù)Ci(C0,C1,…,Cn+1)，如公式3所示，通過公式(3)求解公式(4)中的互耦系數(shù)Ci,i+1(C0,1,C1,2,…,Cn,n+1).

(3)

(4)

公式(5)計(jì)算微帶天線的距離si-1,i(s1,2,s2,3,…,sn,n+1)，t是調(diào)節(jié)系數(shù)，B是帶通濾波的帶寬.公式(6)計(jì)算微帶寬度W(W0,W1,…,Wk).

(5)

(6)

通過計(jì)算n=5，微帶寬度及間隙如表1所示.依據(jù)計(jì)算結(jié)構(gòu)微帶濾波隔離是一種對(duì)稱結(jié)構(gòu)，圖1所示結(jié)構(gòu)，去耦同頻輻射單元的干擾程度.

表1 微帶寬度及間隙

2 濾波MIMO隔離度分析

2.1 濾波MIMO天線S參量分析

這里采用HFSS仿真對(duì)文獻(xiàn)[2-3]及濾波MIMO天線的參數(shù)S11(反射系數(shù))，S12(隔離系數(shù))進(jìn)行分析.如圖2所示，文獻(xiàn)[2-3]和濾波MIMO天線之間S參數(shù)對(duì)比圖，從圖中文獻(xiàn)2的S11反射系數(shù)是 -35 dB 低于文獻(xiàn)3.文獻(xiàn)2的隔離度S12是 -34 dB 也低于文獻(xiàn)3.則濾波MIMO天線是雙頻微帶濾波天線，S11反射系數(shù)諧振頻帶分別為4.1～5.1 GHz 和6.3～6.5 GHz，帶寬分別為23% 和4%.濾波MIMO天線的反射系數(shù)S11適中，但隔離度S12較高可以達(dá)到 -40 dB，相對(duì)于文獻(xiàn)2和文獻(xiàn)3隔離度高出5～8 dB.所以采用濾波微帶隔離可以有效的改善相鄰輻射干擾，增加相鄰輻射單元的隔離度.

圖2 濾波MIMO天線、文獻(xiàn)2和文獻(xiàn)3的S參數(shù)圖

2.2 濾波MIMO天線ECC參量指標(biāo)分析

ECC是MIMO天線測(cè)試2個(gè)輻射單元相關(guān)性及耦合特性，ECC一般的區(qū)間范圍為0～0.03 mag 范圍內(nèi)波動(dòng)，如圖3所示濾波MIMO、文獻(xiàn)2和文獻(xiàn)3均低于 0.03 mag，特別是濾波MIMO的ECC在0.004～0.01 mag 之間波動(dòng)，在諧振頻率范圍內(nèi)波動(dòng)系數(shù)小于 0.06 mag.具有較好的隔離效果，證明采用濾波微帶可以有效隔離相鄰輻射單元的耦合.

圖3 濾波MIMO天線、文獻(xiàn)2和文獻(xiàn)3的ECC圖

(7)

圖4是描述中心頻率 4.5 GHz 和 6.3 GHz 情況下的濾波MIMO天線輻射方向圖.依據(jù)XOZ與YOZ的結(jié)果曲線，輻射方向?yàn)槎ㄏ蛱炀€，輻射增益超過 5.5 dBi.表明濾波MIMO天線具有定向輻射和穩(wěn)定的增益.所以該天線具有良好的輻射性能.

(a) 4.5 GHz輻射結(jié)果 (b) 6.3 GHz輻射結(jié)果

表2是文獻(xiàn)2、文獻(xiàn)3和濾波MIMO天線的對(duì)比列表，天線尺寸、工作頻段、天線增益、隔離度及ECC進(jìn)行對(duì)比，濾波MIMO天線均優(yōu)于以上2種天線.采用微帶濾波可以有效實(shí)現(xiàn)同頻濾波及去耦功能.

表2 天線參數(shù)比較

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用濾波原理實(shí)現(xiàn)同頻濾波及去耦功能，實(shí)現(xiàn)加載諧振線去耦的新方法，通過理論驗(yàn)證及HFSS仿真實(shí)現(xiàn)天線的隔離濾波功能，使天線發(fā)送和接收在4.2～5 GHz 和6.1～6.7 GHz 之間不存在相互干擾，其MIMO天線增益達(dá)到 7.5 dBi，隔離度達(dá)到 -40 dB.為以后大規(guī)模集成MIMO天線提供理論研究基礎(chǔ).該天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工、便于集成電路等特點(diǎn)，具有一定工程應(yīng)用價(jià)值.