CPW饋電的高隔離度超寬帶MIMO槽天線設(shè)計(jì)

越志華,杜成珠,楊福慧

(1.上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,上海 201306;2. 中電科微波通信(上海)有限公司,上海 201802)

0 引言

自2002年美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)將超寬帶(UWB)頻帶(3.1～10.6 GHz)開放民用后,UWB天線引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注,得到了較大發(fā)展。UWB天線因具有功率損耗低,信息傳輸速率高及信道衰落低的優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用[1]。

多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)的應(yīng)用可以獲取空間分集增益和空間復(fù)用增益,克服信道衰落,降低誤碼率,提高信道可靠性,提升通信質(zhì)量。MIMO技術(shù)和UWB技術(shù)的結(jié)合可實(shí)現(xiàn)寬頻帶、長距離、大容量和高速率的無線通信。MIMO技術(shù)的關(guān)鍵是使發(fā)射端或接收端的多個(gè)天線互相獨(dú)立,保持較高的隔離度,以獲得更高的分集增益。近年來,在MIMO天線的研究中,學(xué)者們針對性地提出了不同的解耦方案,如缺陷地(DGS)法[2-3]、加載中和線法[4-5]、加載電磁帶隙(EBG)法[6-7]、模式正交法[8-10]及加載隔離枝節(jié)[11-15]等。文獻(xiàn)[3]采用缺陷地方法在接地板頂端刻蝕兩個(gè)半徑相等的半圓形槽,減小了兩天線端口間耦合,實(shí)現(xiàn)了天線的高隔離度。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一款正交放置的高隔離度柔性MIMO天線,在兩個(gè)輻射單元間引入一個(gè)倒F枝節(jié),使該天線在8～15 GHz頻段的隔離度得到顯著改善。互補(bǔ)開口諧振環(huán)(CSRR)也可用于提高天線隔離度。文獻(xiàn)[11]加載了倒L形寄生枝節(jié),提高了單元間隔離度,應(yīng)用CSRR結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高了天線在低頻頻段(3～3.6 GHz)的隔離度。文獻(xiàn)[15]將矩形槽刻蝕在地板上,并在天線單元間加載T型隔離枝節(jié),使天線整個(gè)頻段內(nèi)的隔離度得到提高。

與常規(guī)微帶線饋電的天線相比,采用共面波導(dǎo)(CPW)饋電的微帶天線具有易加工、便集成、易與器件串并聯(lián)、制作簡單及對介質(zhì)板要求低等優(yōu)點(diǎn),因此,CPW饋電方式在單片微波集成電路及其相關(guān)領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)了一種高隔離度超寬帶MIMO槽天線。天線由兩個(gè)單極子槽天線對稱放置組成,采用CPW結(jié)構(gòu)進(jìn)行饋電。通過對地板切角,天線的阻抗帶寬得到拓展,引入的中和線結(jié)構(gòu)能有效提高端口間的隔離度。實(shí)測表明,天線在2.88～11.18 GHz頻段內(nèi)回波損耗S11小于-10 dB,S21小于-20 dB,包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(ECC)小于0.002,分集增益(DG)大于9.996 dB。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的高隔離度UWB-MIMO槽天線的結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖如圖1所示。天線采用相對介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)基板,基板厚度為0.8 mm,損耗角正切值為0.02。天線采用CPW饋電,整體尺寸為30 mm×56 mm,介質(zhì)基板上蝕刻有兩個(gè)單極子貼片、共面地板、CPW饋線及中和線結(jié)構(gòu),中和線結(jié)構(gòu)由水平方向金屬帶和垂直方向幾字形金屬條帶組成。天線尺寸的最終優(yōu)化結(jié)果如表1所示。

表1 天線尺寸 mm

圖1 天線的結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖

圖2為天線的設(shè)計(jì)過程。設(shè)計(jì)步驟中天線I、II、III的S參數(shù)如圖3所示。首先設(shè)計(jì)了一款基于CPW饋電的單極子槽天線,如圖2(a)所示。天線I的阻抗帶寬為3.95～11.51 GHz。如圖2(b)所示,天線II由兩個(gè)單元天線并排放置,中間沒有解耦結(jié)構(gòu)。通過調(diào)節(jié)單元天線間隔距離、CPW饋電線寬度以及饋電線與共面地之間的縫隙寬度,使天線II的阻抗帶寬覆蓋了2.42～11.33 GHz,但由于缺少解耦結(jié)構(gòu),在UWB范圍內(nèi)天線的S21僅小于-12 dB,天線沒有足夠的隔離度。

圖2 天線演變過程

圖3 天線I、II與III的S參數(shù)對比圖

為了實(shí)現(xiàn)高隔離度特性,獲得更大的分集增益,在天線之間加載中和線結(jié)構(gòu),得到了天線III,其結(jié)構(gòu)如圖2(c)所示。解耦結(jié)構(gòu)的加入改變了天線的電流分布,中和線與激勵端天線單元形成耦合,非激勵端口的電流大幅減少, 從而實(shí)現(xiàn)了天線III的高隔離度。對比圖3(a)、(b)可以看出,天線II、III的S11值變化不大,但S21變化明顯。加載中和線解耦結(jié)構(gòu)后,天線II在2.8～8 GHz頻段內(nèi)隔離度有明顯的改善,S21都小于-20 dB,說明該MIMO天線具有較高的隔離度。

2 仿真和實(shí)測結(jié)果

本文利用ANSYS HFSS 19進(jìn)行了天線的仿真設(shè)計(jì)和參數(shù)的優(yōu)化分析,同時(shí)分析了地板切角和中和線結(jié)構(gòu)對天線性能的影響,最后給出了天線的仿真和實(shí)測結(jié)果。

2.1 天線結(jié)構(gòu)分析

2.1.1 地板切角對天線性能的影響

對地板切角能改善天線的阻抗匹配,圖4為天線III地板切角的S參數(shù)對比。由圖可看出,對MIMO天線地板對稱切除三角形后,天線S21基本不發(fā)生改變,而天線阻抗帶寬(S11<-10 dB)得到較大提升,由2.55～9.74 GHz拓寬至2.55～11.28 GHz,因此,該結(jié)構(gòu)能有效地拓寬天線的工作帶寬,而對天線隔離度基本無影響。

2.1.2 中和線結(jié)構(gòu)對天線電流的影響

設(shè)計(jì)MIMO天線時(shí)需盡可能提高天線間隔離度,減小各個(gè)信道間的干擾,在天線單元間加載中和線結(jié)構(gòu),可有效地降低單元間的耦合,從而提高單元天線間的隔離度。為了驗(yàn)證中和線結(jié)構(gòu)提高天線隔離度的有效性,在6 GHz時(shí)對天線II、III的表面電流分布進(jìn)行了分析。端口1連接到激勵源,端口2連接50 Ω的匹配負(fù)載,MIMO天線的電流分布如圖5所示。由圖可看出,當(dāng)中和線被加載到這兩個(gè)單元之間時(shí),表面電流沿著中和線的路徑流動,集中在中和線結(jié)構(gòu)中,而不是流入端口2,端口2的電流密度明顯降低,故中和線結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有效地減小端口1,2間的干擾,從而提高了兩者之間的隔離度。

圖5 天線II、III電流分布

2.1.3 解耦結(jié)構(gòu)中矩形槽尺寸的參數(shù)分析

解耦結(jié)構(gòu)中矩形槽大小會影響天線單元間隔離度,L3、W3是矩形槽的重要尺寸。

圖6為不同L3時(shí)天線的S參數(shù)。由圖可看出,隨著L3的增大,天線的S11變化較小,對帶寬的影響較小,而天線的S21變化較大。當(dāng)L3=4.2 mm時(shí),基本滿足20 dB隔離度的頻帶(為3～13.5 GHz),帶寬中有少量頻點(diǎn)的S21>-20 dB。L3=4.7 mm時(shí),20 dB的高隔離度帶寬的下界限降低,覆蓋2.80～13.5 GHz頻段。隨著L3的增大,槽的寬度增加,由4.7 mm增大到5.2 mm和5.7 mm,在4.5～5.5 GHz和7～8 GHz時(shí),天線的隔離度惡化,不滿足20 dB的高隔離度要求。綜合分析比較可知,L3=4.7 mm時(shí),天線隔離度最佳。

圖6 L3不同取值下S參數(shù)結(jié)果

圖7為不同W3時(shí)天線的S參數(shù)對比圖。由圖可知,W3作為解耦結(jié)構(gòu)的尺寸,幾乎只影響天線的隔離度,隨著W3變化,天線-10 dB阻抗帶寬變化不大。由圖7(b)可看出,隨著W3增大時(shí),在4～8 GHz時(shí)天線的隔離度增加,但天線滿足20 dB高隔離度的頻率點(diǎn)向右偏移。優(yōu)化分析可知,W3=15.6 mm時(shí),天線的S21表現(xiàn)最佳。

圖7 W3不同取值下的S參數(shù)結(jié)果

2.2 S參數(shù)

S參數(shù)是反映天線性能的重要指標(biāo)之一,通過使用安捷倫PNAL N5230A網(wǎng)絡(luò)分析儀對加工天線的S參數(shù)進(jìn)行測試。圖8、9分別為天線S11、S21的仿真與實(shí)測對比圖。由圖可看出,天線的實(shí)測工作帶寬覆蓋2.88～11.18 GHz,相對帶寬為118.1%,在天線工作頻段內(nèi),S21均小于-20 dB,滿足高隔離度的要求。仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)的差異主要由加工精度,SMA接口損耗和實(shí)測時(shí)環(huán)境的不確定因素引起。

圖8 S11仿真與實(shí)測結(jié)果

圖9 S21仿真與實(shí)測結(jié)果

2.3 輻射方向圖

圖10為天線在3.5 GHz、7 GHz及9 GHz頻點(diǎn)的仿真與實(shí)測的E、H面歸一化方向圖。

圖10 E、H面歸一化方向圖仿真與實(shí)測結(jié)果

在測試MIMO天線方向圖時(shí),端口1接激勵源,端口2接50 Ω的匹配負(fù)載。由圖10可看出,在3.5 GHz、7 GHz時(shí),天線的H面歸一化遠(yuǎn)場輻射圖近似呈圓形,具有全向輻射的特性,E面歸一化方向圖大體呈現(xiàn)“8”字,具有雙向輻射特性。由于UWB天線在高頻工作時(shí)輻射出更多的電磁波,其模式性能將下降。因此,在9 GHz時(shí),H平面和E平面的輻射模式略有畸變。實(shí)測和仿真數(shù)據(jù)表明,該天線在超寬帶內(nèi)具有良好的輻射性能。

2.4 增益

天線的仿真與實(shí)測增益如圖11所示。由圖可知,天線在2.88～11.18 GHz工作頻段內(nèi)的增益為2.3～6.8 dBi,增益穩(wěn)定,具有良好的輻射信號能力。由于測量環(huán)境的不確定因素和SMA接口損耗,實(shí)測和仿真數(shù)值之間存在一定的誤差。

圖11 仿真與實(shí)測增益結(jié)果

2.5 分集性能

ECC是描述MIMO天線分集性能的關(guān)鍵指標(biāo)。ECC描述了天線元件被放置在有限區(qū)域時(shí)的相關(guān)程度,ECC數(shù)值越小,各信道間相關(guān)性越低,MIMO天線分集性能越好。利用雙端口MIMO天線的公式[17],從S參數(shù)中可計(jì)算ECC值,即:

|S21|2)(1-|S21|2-|S22|2)]

(1)

MIMO天線分集性能的另一個(gè)重要參數(shù)是分集增益DG,它表示MIMO天線系統(tǒng)對信噪比能力的提高,其計(jì)算式[18]為

(2)

設(shè)計(jì)MIMO天線時(shí),天線的一般要求ECC<0.5,DG>9.9。本文所提出天線的仿真和實(shí)測ECC<0.002,DG>9.996,這表明兩單元天線間的端口具有良好的獨(dú)立性,天線分集性能表現(xiàn)良好。

3 天線性能比較

表2為MIMO天線性能對比。由表可看出,本文提出天線的相對帶寬較優(yōu)。文獻(xiàn)[11]采用側(cè)饋,不具有CPW便于集成的優(yōu)勢。文獻(xiàn)[9-10,12]雖然采用CPW饋電,但其接地板未連接在一起,沒有公共參考電位,這可能導(dǎo)致其輻射不穩(wěn)定。文獻(xiàn)[15] 天線的隔離度不大,與本文天線相比,其解耦效果較差。從天線分集性能角度分析,本文所提天線的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)小于0.002,分集增益高于9.996。

表2 MIMO天線性能對比

4 結(jié)束語

本文提出了一種用于UWB通信的高隔離度MIMO槽天線。天線采用CPW饋電,由兩個(gè)并排放置的天線單元和隔離結(jié)構(gòu)組成。通過對地板切角,使天線獲得了良好的阻抗匹配。通過在天線單元間加載的中和線隔離結(jié)構(gòu)來提高天線的隔離度。經(jīng)測量,天線S11小于-10 dB的相對帶寬為118.1%(2.88～11.18 GHz),該頻段內(nèi)天線S21均小于-20 dB,增益穩(wěn)定,最大增益為6.8 dB,ECC<0.005,DG>9.99。結(jié)果表明,該天線具有良好的性能,在UWB無線通信中具有較好的應(yīng)用前景。