面向毫米波MIMO 的方向圖去耦印刷偶極子天線

南敬昌 ,曹京濤 ,楊楠

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,遼寧 葫蘆島 125105;2.遼寧省無線射頻大數(shù)據(jù)智能應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 葫蘆島 125105;3.中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,廣東 廣州 510006;4.廣東省光電信息處理芯片與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510006)

在信息技術(shù)日新月異的當(dāng)下,人們對(duì)無線通信系統(tǒng)大容量、高速率、低延時(shí)的需求越發(fā)迫切。毫米波MIMO(Multiple-Input Multi-Output)技術(shù)兼具毫米波通信的高速、低延遲特性[1-3]以及MIMO 多天線技術(shù)在提升通信系統(tǒng)容量、提高頻譜利用率方面的優(yōu)勢[4-5],已經(jīng)成為5G、6G 通信中的關(guān)鍵技術(shù)。作為電磁波的收發(fā)設(shè)備,毫米波MIMO 天線在整個(gè)通信系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用的同時(shí),也面臨著天線單元間的耦合問題[6]。天線間的電磁耦合會(huì)引起端口隔離度的降低、天線單元方向圖畸變、匹配惡化、系統(tǒng)效率下降等一系列問題,從而對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)的容量帶來不利影響[7-8]。因此,開展毫米波MIMO 天線的去耦研究對(duì)于提升整個(gè)通信系統(tǒng)的質(zhì)量有著重大意義。

關(guān)于MIMO 天線去耦,學(xué)者們已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究[9-12]。2019 年,王衛(wèi)民等將一種通過曲折金屬條相連的蘑菇形EBG 結(jié)構(gòu)用于雙頻MIMO 天線去耦,3.48 GHz 和4.88 GHz 兩個(gè)工作頻段對(duì)應(yīng)的端口隔離度分別被提升至26 dB 和 44 dB[13]。2019 年,Jafargholi 等利用容性加載環(huán)的表面波衰減特性,在E面耦合的1×2 微帶天線中間放置由容性加載環(huán)組成的超材料墻實(shí)現(xiàn)去耦,端口隔離度可達(dá)40 dB[14]。2019年,李敏等提出一種由串、并聯(lián)電容器組成的L 形去耦匹配網(wǎng)絡(luò)用于平行放置的1×2 單極子天線去耦,端口隔離度可從5 dB 提升至30 dB[15]。2022 年,楊晨等使用介質(zhì)塊包裹單極子天線,利用介質(zhì)塊內(nèi)部產(chǎn)生的場谷實(shí)現(xiàn)了大于20 dB 的端口隔離度[16]。以上這些去耦研究主要關(guān)注點(diǎn)在于天線端口隔離度的提升,卻忽略了方向圖的抖動(dòng)、波束偏轉(zhuǎn)等畸變問題[13-16]。

在傳統(tǒng)的端口去耦基礎(chǔ)上,通過消除MIMO 天線單元輻射方向圖因電磁耦合而產(chǎn)生的波束偏轉(zhuǎn)、凹陷等畸變失真使天線單元的方向圖恢復(fù)至均勻、一致的狀態(tài),又被稱為MIMO 天線的方向圖去耦[17]。2020年,孫利濱等使用共模差模抵消法在1×2 平面倒F 天線的去耦設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了超過22 dB 的端口隔離度,且天線單元的輻射方向圖無偏、無畸變[18]。2022 年,仝昌武等基于場疊加原理利用去耦金屬柱對(duì)兩個(gè)零間距的介質(zhì)諧振器天線實(shí)現(xiàn)了方向圖去耦,工作在模式的天線單元的輻射方向圖被修復(fù)成均勻一致的狀態(tài),且最大輻射方向被糾正為沿著正天頂[17]。在該去耦設(shè)計(jì)中,通過去耦金屬柱產(chǎn)生的感應(yīng)場與耦合天線單元內(nèi)的原始感應(yīng)場具有等幅反相關(guān)系。由于耦合單元內(nèi)的感應(yīng)場可以被抵消干凈,因此同時(shí)實(shí)現(xiàn)了方向圖去耦和端口去耦。到目前為止,已經(jīng)有不少方法可以在2 元MIMO 天線中實(shí)現(xiàn)方向圖去耦,但在更高維度的MIMO 天線去耦設(shè)計(jì)中,天線單元方向圖仍舊存在著偏轉(zhuǎn)、凹陷等畸變[19]。

基于以上問題,本文提出了一種基于短路枝節(jié)的方向圖去耦方法,在1×4 MIMO 印刷偶極子天線的設(shè)計(jì)中可對(duì)發(fā)生畸變的天線單元輻射方向圖進(jìn)行波束糾偏與凹陷修復(fù),實(shí)現(xiàn)方向圖去耦。在偶極子輻射臂與基片集成波導(dǎo)(Substrate Integrated Waveguide,SIW)饋電結(jié)構(gòu)之間引入短路枝節(jié),通過調(diào)節(jié)耦合單元上感應(yīng)電流的幅度和相位最終修復(fù)了畸變的方向圖。最后在5G 毫米波n260 頻段設(shè)計(jì)、制作了方向圖去耦的1×4 MIMO 印刷偶極子天線實(shí)物,實(shí)測結(jié)果與理論仿真結(jié)果吻合良好,驗(yàn)證了提出的方向圖去耦方法的有效性。

1 方向圖去耦的1×4 MIMO 偶極子天線設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)

圖1(a)展示了提出的方向圖去耦的1×4 MIMO 印刷偶極子天線結(jié)構(gòu)示意圖,天線被設(shè)計(jì)在37～40 GHz的5G 毫米波n260 頻段[20]。天線板材為0.508 mm 厚度的RO4003C,其相對(duì)介電常數(shù)和損耗角正切分別為3.38 和0.0027。偶極子天線的輻射臂印刷在上下基板表面,采用基片集成波導(dǎo)(Substrate Integrated Waveguide,SIW)作為巴倫實(shí)現(xiàn)饋電[21]。相鄰天線單元的中心間距固定為SIW 的寬度Wsiw(0.47λ0,λ0為工作中心頻率38.5 GHz 所對(duì)應(yīng)的自由空間波長),偶極子天線通過平行放置組成E面耦合的1×4 MIMO 陣列。偶極子天線的輻射臂與SIW 地板之間通過短路枝節(jié)相連,引入該短路枝節(jié)可調(diào)節(jié)耦合單元輻射臂上感應(yīng)電流的幅度和相位,從而實(shí)現(xiàn)方向圖去耦。

圖1 1×4 MIMO 偶極子天線結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of 1×4 MIMO dipole antennas

為了便于對(duì)比去耦效果,在圖1(b)中給出了未進(jìn)行方向圖去耦設(shè)計(jì)的參考天線,天線單元工作中心頻率以及中心間距均和圖1(a)中MIMO 天線保持一致,SIW 饋電結(jié)構(gòu)也有著相同的設(shè)計(jì)尺寸。圖1(a)、(b)中MIMO 天線的設(shè)計(jì)參數(shù)均在表1 中給出。

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)表Tab.1 Antenna structure parameters mm

1.2 天線性能

使用三維電磁仿真軟件ANSYS HFSS 完成了MIMO 天線的S參數(shù)和方向圖的仿真計(jì)算。圖2(a)、(b)中分別展示了1×4 MIMO 印刷偶極子天線在方向圖去耦前后的兩種情形所對(duì)應(yīng)的S參數(shù),反射系數(shù)在37～40 GHz 范圍內(nèi)均優(yōu)于-15 dB。如圖2(a)所示,在目標(biāo)設(shè)計(jì)頻段37～40 GHz 范圍內(nèi),未進(jìn)行方向圖去耦的相鄰端口間S21和S32為-14.6～-15.6 dB。而方向圖去耦后,如圖2(b)所示,S21則改善至-19.8～-20.4 dB,平均可獲得5 dB 的端口隔離度提升。方向圖去耦后的S32也改善至-17.4～-18.5 dB,平均獲得3 dB 左右的隔離度提升。非相鄰的端口S31在未進(jìn)行方向圖去耦時(shí)為-22 dB,方向圖去耦后則改善至-22.8～-24.2 dB,隔離度得到2 dB 左右的略微提升。綜上,提出的方向圖去耦的方法對(duì)于相鄰端口的隔離度有著3～5 dB的增強(qiáng)效果。端口隔離度大于17 dB,能夠滿足MIMO多天線系統(tǒng)對(duì)于15 dB 端口隔離度的要求。

圖2 1×4 MIMO 偶極子天線仿真S 參數(shù)Fig.2 Simulated S-parameters of 1×4 MIMO dipole antennas

為了直觀展示提出的1×4 毫米波MIMO 印刷偶極子天線的方向圖去耦效果,在圖3 中給出了各個(gè)天線單元在38.5 GHz 頻點(diǎn)處的E面輻射方向圖的仿真對(duì)比結(jié)果。天線1 的E面方向圖去耦前后的對(duì)比如圖3(a)所示。由于天線間的電磁耦合,方向圖去耦前的天線1 的E面最大輻射方向相對(duì)正天頂方向(θ=0°)偏離了+30°。在進(jìn)行方向圖去耦后,天線1 的最大輻射方向則被糾正到近似沿著正天頂方向的-2°。類似的波束糾偏效果也可在圖3(d)中觀察到,天線4 的最大輻射方向從-32.5°被糾正至近似沿著正天頂方向的+2°。因此,方向圖去耦得以實(shí)現(xiàn)。

圖3 1×4 MIMO 偶極子天線去耦前后的E 面仿真結(jié)果Fig.3 Simulated E-plane of 1×4 MIMO dipole antennas with and without radiation pattern decoupling

在圖3(b)、(c)中分別對(duì)比了天線2 和天線3 在方向圖去耦前后的E面方向圖。在方向圖去耦前,天線2 和天線3 的波束在天頂方向附近會(huì)由于電磁耦合而形成凹陷,從而導(dǎo)致該處增益相比最大輻射方向出現(xiàn)了1.5～2 dB 的下降。并且,此時(shí)天線2 和天線3 的最大輻射方向分別偏離天頂方向+44°和-54°。在方向圖去耦后,天線2 和天線3 的方向圖最大輻射方向均被嚴(yán)格恢復(fù)至正天頂,且波束對(duì)稱性良好。

表2 中詳細(xì)列出了方向圖去耦前后的1×4 MIMO印刷偶極子天線各個(gè)天線單元E面波束在37,38.5,40 GHz 三個(gè)頻點(diǎn)處的最大輻射方向所在角度,即波束偏轉(zhuǎn)角。可以看出,在未進(jìn)行方向圖去耦的參考天線中,各個(gè)天線單元E面波束的最大輻射方向在不同頻點(diǎn)處均偏離正天頂方向,對(duì)應(yīng)的波束偏轉(zhuǎn)角在±19°～55°間。在進(jìn)行方向圖去耦后,天線單元的波束偏轉(zhuǎn)角則被糾正至±6°以內(nèi),其中天線2 和天線3 在38.5 GHz 和40 GHz 頻點(diǎn)處被嚴(yán)格恢復(fù)至θ=0°的正天頂方向,實(shí)現(xiàn)了方向圖的糾偏。

表2 方向圖去耦前后天線1～4 的E 面波束偏轉(zhuǎn)角Tab.2 E-plane tilted angle of antenna 1-4 with and without radiation pattern decoupling

1.3 方向圖去耦原理分析

引入短路枝節(jié)后,一方面可以將耦合單元的感應(yīng)電流短路到地面從而使其幅度得到衰減,另一方面則可以對(duì)耦合單元上感應(yīng)電流的相位進(jìn)行調(diào)節(jié)。為驗(yàn)證方向圖去耦原理,在圖4 中給出了方向圖去耦前后的1×4 MIMO 印刷偶極子天線在38.5 GHz 處的表面電流分布示意圖。天線任意端口被激勵(lì)時(shí),其余端口均端接50 Ω 匹配負(fù)載。如圖4(a)所示,在方向圖去耦前,當(dāng)天線1 被激勵(lì)時(shí),相鄰偶極子輻射臂上會(huì)因耦合出現(xiàn)強(qiáng)烈的反相感應(yīng)電流,這部分反相感應(yīng)電流在遠(yuǎn)場區(qū)域與被激勵(lì)的天線1 的場相互作用,從而導(dǎo)致天線1 的輻射方向圖發(fā)生畸變。圖4(b)中,在加入短路枝節(jié)后,耦合單元的輻射臂上的反相感應(yīng)電流被大幅削弱。通過優(yōu)化短路枝節(jié)的引入位置,可調(diào)節(jié)耦合單元輻射臂上感應(yīng)電流的幅度和相位,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)方向圖去耦。天線2 被激勵(lì)時(shí),類似的電流分布結(jié)果也能在圖4(c)、(d)中觀察得到,驗(yàn)證了短路枝節(jié)實(shí)現(xiàn)方向圖去耦的原理。

圖4 38.5 GHz 1×4 MIMO 偶極子天線的電流分布Fig.4 Current distribution of 1×4 MIMO dipole antennas at 38.5 GHz

2 天線測量與分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì),制作了方向圖去耦的1×4 毫米波MIMO 印刷偶極子天線樣機(jī),實(shí)物照片如圖5(a)所示。為便于測試,制作了接地共面波導(dǎo)(GCPW,Grounded Coplanar Waveguide)轉(zhuǎn)SIW 的4 端口饋電網(wǎng)絡(luò)。測試所用接頭為2.4 mm-Female 免焊連接器,其理論插入損耗小于0.05 dB。由于天線樣機(jī)的基板整體機(jī)械強(qiáng)度欠缺,為了避免測試過程中基板發(fā)生形變而引入額外的測量誤差,故使用了1 mm 厚度的金屬墊片用作機(jī)械支撐,如圖5(b)所示。圖5(c)展示了天線實(shí)物對(duì)應(yīng)的仿真模型,HFSS 的計(jì)算結(jié)果表明金屬墊片并不會(huì)對(duì)天線的輻射方向圖和S參數(shù)測試產(chǎn)生影響。天線S參數(shù)驗(yàn)證使用的是Agilent N5247A 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,天線的輻射方向圖和增益在微波暗室中完成驗(yàn)證,測試場景如圖5(d)所示。在測試遠(yuǎn)場參數(shù)時(shí),天線任意端口在被單獨(dú)激勵(lì)時(shí),其余端口均連接50 Ω 匹配負(fù)載。

2.1 S 參數(shù)

圖6 展示了方向圖去耦的1×4 毫米波MIMO 印刷偶極子天線實(shí)測與仿真S參數(shù)對(duì)比結(jié)果,實(shí)測與仿真結(jié)果均已經(jīng)包含饋電網(wǎng)絡(luò)的影響。實(shí)測與仿真之間吻合良好,輕微的差異主要來自天線的加工誤差以及儀器的測量誤差。每個(gè)天線單元的S11<-10 dB,帶寬均覆蓋5G 毫米波n260 (37～40 GHz)目標(biāo)設(shè)計(jì)頻段。其中,天線2 和天線3 的反射系數(shù)測試結(jié)果與仿真之間有著0.3 GHz 的最大誤差。相對(duì)于工作中心頻率38.5 GHz 而言,該誤差僅為0.7%,這在天線仿真與實(shí)際測量結(jié)果對(duì)比中可以忽略不計(jì)。在37～40 GHz 范圍內(nèi)的相鄰端口隔離度實(shí)測大于23.5 dB,其中|S21| 可超過28 dB。

2.2 輻射方向圖與增益

圖7 給出了方向圖去耦的1×4 MIMO 印刷偶極子天線各個(gè)天線單元在38.5 GHz 頻點(diǎn)處的E面、H面輻射方向圖,實(shí)測和仿真結(jié)果吻合良好。天線1 和天線4 的E面實(shí)測最大輻射方向均沿著正天頂方向,驗(yàn)證了提出的方向圖去耦方法的有效性。天線2 和天線3的E面在38.5 GHz 處最大輻射方向分別偏離正天頂方向16°和-10°,與正天頂方向上的增益差分別為0.7 dB和0.8 dB。相較于偶極子天線而言,測試環(huán)節(jié)所引入的饋電網(wǎng)絡(luò)和連接器有著無法忽視的體積,由之引入的散射會(huì)不可避免地對(duì)天線輻射方向圖產(chǎn)生抖動(dòng)、波束偏轉(zhuǎn)等不利影響。類似的結(jié)果可在文獻(xiàn)[22]中觀察到。

圖8(a)～(d)中分別給出了天線單元1～4 所對(duì)應(yīng)的實(shí)測增益與仿真結(jié)果的對(duì)比曲線圖,實(shí)測與仿真之間的整體趨勢基本一致且有著良好的吻合度,天線單元實(shí)測平均增益為2.5 dBi。值得注意的是,理想情形下的SIW 端射半波印刷偶極子天線增益是4 dBi,實(shí)測增益偏低主要是饋電網(wǎng)絡(luò)引入的額外插入損耗所致。

圖8 仿真與實(shí)測增益Fig.8 Simulated and measured gain

在37～40 GHz 的目標(biāo)頻段內(nèi),增益實(shí)測結(jié)果與仿真值之間的最大差異為1 dB,這主要來自天線在測量過程中的對(duì)準(zhǔn)問題以及儀器的測量誤差。除此之外,測試增益曲線自身也有一定程度的抖動(dòng),抖動(dòng)范圍在1 dB 以內(nèi)。這種程度的增益測試差異和抖動(dòng)在毫米波頻段的天線設(shè)計(jì)中屬于可以接受的良好范圍之內(nèi)[6,23]。

2.3 性能對(duì)比

將本文提出的方向圖去耦的1×4 毫米波MIMO 印刷偶極子天線與近年發(fā)表的文獻(xiàn)相關(guān)工作進(jìn)行對(duì)比,如表3 所示。文獻(xiàn)[12]使用陣列去耦表面在1×8 微帶天線中實(shí)現(xiàn)方向圖去耦和超過25 dB 的隔離度,但陣列去耦表面需要放置在天線上方0.3λ0處,而本文基于短路枝節(jié)提出的去耦方法則不需額外犧牲天線的剖面高度。且陣列去耦表面主要針對(duì)的是端口去耦,并不能確保端口去耦后的輻射方向圖一定是無畸變的[19]。相比文獻(xiàn)[17],本文提出的方向圖去耦方法具備可擴(kuò)展性。本文和文獻(xiàn)[14-16]都獲得超過20 dB的端口隔離度,但相比之下,本文提出的1×4 MIMO印刷偶極子天線可在更高維的線陣中獲得無偏、無畸變的方向圖。

表3 天線性能參數(shù)對(duì)比Tab.3 Comparison of antenna performance parameters

3 結(jié)論

本文提出了一種方向圖去耦的1×4 毫米波MIMO印刷偶極子天線。在偶極子的輻射臂和地板之間的適當(dāng)位置引入短路枝節(jié),通過調(diào)節(jié)耦合單元輻射臂上感應(yīng)電流的幅度和相位實(shí)現(xiàn)了方向圖去耦。在37～40 GHz 目標(biāo)頻段內(nèi),實(shí)測端口間隔離度超過23.5 dB,最高可達(dá)30 dB。發(fā)生波束偏轉(zhuǎn)的天線單元輻射方向圖的最大輻射方向被糾正到正天頂,凹陷的輻射方向圖也得以修復(fù),方向圖去耦得以實(shí)現(xiàn)。本文提出的方向圖去耦的1×4 毫米波MIMO 印刷偶極子天線端口隔離度良好,具有無偏、無畸變的方向圖,適合應(yīng)用于毫米波MIMO 系統(tǒng)。