一種結構緊湊的高隔離度MIMO天線

黃 濤，楊雪霞

(上海大學 通信與信息工程學院，上海 200444)

0 引言

隨著5G/6G移動通信的快速發展,人們對高速和高質量數據傳輸的需求日益增加,多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技術成為無線通信系統的關鍵技術。MIMO系統在接收端和發射端采用多個天線,可以在不增加頻譜和功率資源的情況下,大幅度提高無線通信系統的信道容量[1-3]。然而,在尺寸受限的終端或便攜式設備中,天線單元的緊密排列會導致天線單元之間存在較高的互耦,從而降低MIMO性能。因此,設計一款結構緊湊、單元間隔離度高的MIMO天線是非常重要的。

MIMO天線大多基于微帶貼片,相鄰貼片天線之間的互耦一般由地板上的表面電流和近場耦合引起[4]。為了解決這個問題,針對貼片MIMO天線提出了不同的去耦技術,根據工作原理大致可以分為3種。

第一種去耦技術是阻斷和抑制天線單元之間的耦合電流,可以利用超表面結構[5]、電磁帶隙[6]和缺陷地結構[7-8]來實現。超表面結構和電磁帶隙具有明顯的解耦效果,但結構復雜、占用空間大。缺陷地結構能有效阻擋表面波,然而,刻蝕的縫隙會產生額外的后向輻射,從而惡化輻射性能。

第二種去耦技術是應用分集方法降低多天線間的相關性,包括空間分集[9]、方向圖分集[10]和極化分集[11]。這些方法通常需要較大的單元間距,或者隔離度提升有限。

第三種去耦技術是引入一個新的耦合路徑來抵消原來的耦合,可以通過中和線[12-14]和寄生枝節[15-18]來實現。然而,中和線會影響天線的性能,增加設計的難度。寄生枝節通常需要較大的單元間距和復雜的去耦結構。

基于以上問題,本文提出一種緊湊型的高隔離度MIMO天線。該天線具有結構緊湊、剖面低和單元間隔離度高的特性,適用于未來5G移動終端。

1 天線結構設計

所提出的天線結構如圖1所示,天線僅由一層F4BX220介質板構成,相對介電常數為2.2,損耗角正切為0.001 5,整體尺寸為85 mm×45 mm×1.5 mm。2個方形輻射貼片位于介質板的上表面,且邊到邊間距僅有1 mm(0.011λ0,λ0為天線中心頻率對應自由空間的波長),并由同軸探針直接饋電,介質板的下表面是接地面。U型枝節放置在2個天線單元的上下兩側,其與方形貼片之間的距離為0.75 mm(0.008λ0)。

圖1 天線結構示意Fig.1 Configuration of the proposed antenna

利用HFSS仿真軟件構建天線模型并對天線的結構參數進行仿真優化,最終得到的天線幾何尺寸如表1所示。

表1 天線尺寸

由于2個天線單元間的邊到邊距離非常小,僅有0.011λ0,導致天線單元間的耦合較大,需要進行去耦設計以獲得性能良好的天線。天線的去耦設計過程如圖2所示。為了提高天線的隔離度,首先是在原有天線的基礎上引入了矩形金屬條,形成天線1。去耦原理是當矩形金屬條的長度約等于半個介質波長時,其表面會產生與主輻射貼片表面電流方向相反的電流,從而產生反相的場,以削弱2個天線單元間的耦合,提高隔離度。

(a)天線1

(b)天線2

上述去耦結構簡單,去耦效果也很好,但是僅適用于二元貼片天線陣。因為矩形金屬條的長度約等于半個介質波長才能起到去耦作用,一旦天線陣列擴大,需要引入多個矩形金屬條,各個矩形金屬條之間就會發生重疊,去耦結構會被破壞。因此,需要對該去耦結構作進一步的改進。通過彎折的方式以延長電流路徑,將矩形金屬條改進成U型枝節,形成天線2。貼片和U型枝節表面電流的方向如圖3所示,當U型枝節的總長度約等于半個介質波長時,同樣會產生一條等幅反相的新耦合路徑來抵消或削弱原來的耦合,起到與原矩形金屬條相同的去耦效果,該結構不僅適用于二元陣,也可應用于多元貼片天線陣列的解耦。

圖3 端口1激勵時貼片和U型枝節表面電流方向Fig.3 Surface current direction of the patch and the U-shaped branch when excited by port 1

在有和沒有U型枝節的情況下,對貼片表面電流的分布進行了仿真,如圖4所示。當左側的天線單元被激勵時,未引入U型枝節的右側天線單元上產生了強烈的耦合電流,而引入U型枝節的右側天線單元上幾乎沒有產生耦合電流,說明該去耦結構具有良好的隔離效果。有無U型枝節的隔離度仿真曲線如圖5所示,可以看出,引入U型枝節可將天線頻段內單元隔離度從6 dB提高到22 dB,在中心頻率處的隔離度達到了30 dB。

圖4 端口1激勵時貼片表面電流分布Fig.4 Surface current distribution of the patch when exited by port 1

該去耦方法是通過在U型枝節上產生等幅反向的新耦合場,以削弱或抵消原耦合,新耦合場會對天線的輻射造成一定的干擾,導致天線增益和輻射效率略有下降。有無U型枝節的增益頻響曲線如圖6所示,引入U型枝節后,天線峰值增益為6.3 dBi,相比未引入U型枝節,增益下降了0.6 dBi。天線輻射效率變化曲線如圖7所示,在工作頻帶范圍內,有無U型枝節的天線最大輻射效率分別為95.5%和96.9%。可見U型枝節對天線增益和輻射效率產生的影響很小。

圖5 有無U型枝節的隔離度仿真結果Fig.5 Simulation results of isolation with and without U-shaped branch

圖6 增益頻響曲線Fig.6 The gain-frequency curve

圖7 輻射效率頻響曲線Fig.7 The radiation efficiency-frequency curve

2 天線仿真與實測結果

本文利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS對天線的結構和參數進行了仿真,為了驗證天線的實際性能,對設計的MIMO天線進行了加工制作,并利用微波暗室和型號為N5227矢量網絡分析儀進行了實際測試。綜合天線的測試結果,討論了天線的各項性能。天線實物如圖8所示。

(a)天線正面

(b)天線背面

2.1 S參數

天線仿真和實測的S參數隨頻率變化曲線如圖9所示。仿真得到的天線|S11|<-10 dB帶寬為3.475～3.525 GHz,實測結果為3.475～3.520 GHz。仿真隔離度在整個匹配帶寬內高于22 dB,實測隔離度高于21.5 dB。實測與仿真存在的微小偏差主要來源于加工和實測引入的誤差。該天線在反射系數和隔離度方面的實測和仿真結果均能滿足實際工程的要求,有著良好的性能。

圖9 天線仿真和實測結果Fig.9 Simulated and measured results of the antenna

2.2 輻射性能

二元貼片天線在3.5 GHz處的仿真和實測輻射方向圖如圖10和圖11所示。在E面,由于相鄰貼片單元對主輻射貼片單元起到引相器的作用,2個天線單元的輻射方向圖都呈現出輕微的非對稱性。天線的仿真和實測增益分別約為6.3、5.9 dBi。仿真和實測交叉極化分別為-43、-40 dBi。在H面,2個天線單元的輻射方向圖對稱且相同。天線的仿真和實測增益分別約為6.2、5.8 dBi。仿真和實測交叉極化分別為-42、-37 dBi。

圖10 端口1激勵時天線仿真和實測輻射方向圖Fig.10 Simulated and measured results of radiation pattern excited by port 1

圖11 端口2激勵時天線仿真和實測輻射方向圖Fig.11 Simulated and measured results of radiation pattern excited by port 2

天線增益及輻射效率的仿真和實測結果如圖12所示。

圖12 天線仿真和實測結果Fig.12 Simulated and measured results of the antenna

由于轉接頭損耗和線纜損耗,天線實測增益和輻射效率略低于仿真值。在頻帶范圍內,天線仿真增益為6.1～6.3 dBi,實測增益為5.7～5.9 dBi,天線仿真輻射效率為94.2%～95.5%,實測輻射效率為93.1%～94.2%。

2.3 ECC曲線圖

由于收發兩端多天線組成的信道可能是相關或者不相關的,相關性的程度會極大地影響MIMO天線的接收性能。為了在研究中更直觀地討論天線的相關性,工程上通常使用包絡相關系數作為衡量MIMO系統性能的重要指標。一般,低包絡相關性表現出高分集增益。包絡相關系數(Envelope Correlation Coefficient,ECC)可由S參數通過下式計算得到:

(1)

由于端口的對稱性,S11和S12分別與S22和S21近似,將仿真和實測得到的S參數分別代入式(1),最終的ECC曲線如圖13所示。在工作頻帶內實現了仿真ECC小于0.006和實測ECC小于0.008的優異分集性能。

圖13 ECC的仿真和實測結果Fig.13 Simulated and measured results of ECC

3 多天線陣列的解耦

所提出的1×4貼片陣列結構如圖14所示。相鄰單元之間的邊距僅為1 mm(0.011λ0),通過在每組相鄰單元兩側引入U型枝節,實現了良好的互耦抑制性能。

(a)陣列透視圖

(b)陣列俯視圖

天線陣列仿真結果如圖15所示。天線|S11|<-10 dB帶寬為3.475～3.520 GHz。相鄰單元之間的隔離度從6 dB提高到20 dB,非相鄰單元間隔離度均高于23 dB。由于貼片單元兩側緊密排布的影響,四元陣的隔離度相比于二元陣略有惡化,但仍能滿足MIMO天線隔離度高于15 dB的要求。

圖15 四元天線陣仿真結果Fig.15 Simulated results of quaternary antenna array

4 結束語

本文提出了一種結構緊湊的高隔離度MIMO天線,通過引入2個簡單的U型枝節以產生與原耦合相抵消的新耦合路徑,從而提高天線單元間的隔離度。實測結果表明,在3.475～3.520 GHz的匹配帶寬內,所提出的去耦方案可將天線隔離度從6 dB提高到22 dB以上,且天線單元邊到邊的距離僅有0.011λ0,ECC小于0.008。通過仿真驗證,此去耦結構也可應用于多天線陣列的解耦。該MIMO天線有著結構緊湊、剖面低和單元間隔離度高的優良特性,適用于5G移動終端。