一種高隔離度超寬帶天線的設計

余善好

（安徽三聯學院，安徽 合肥 230601）

0 引言

隨著無線通信系統的發展，人們對移動通信的技術需求逐漸從穩定的網絡覆蓋升級到全場景的高速無縫連接，而保障高可靠、低時延、大容量無線通信的一項關鍵技術就是多天線系統。MIMO天線作為多天線系統的一類，滿足應用需求，可以有效地解決天線的多徑衰落問題，拓寬信道容量。［1］但是不同天線單元之間存在不同程度的相互耦合，如何降低天線單元之間的互耦，提高隔離度，是MIMO天線需要解決的一個重要問題［2］。應用于3.1～10.6 GHz的超寬帶（UWB）頻段范圍的天線具有信道容量大、保密性能高等優點，但隔離度同樣是其研究的重點之一。

1 天線設計過程

1.1 天線結構

本文設計的超寬帶MIMO天線的結構如圖1所示。由圖1 可以看到，天線的兩個輻射表面是相同的，具有相同的饋線以及接地地面。該天線印刷在相對介電常數為4.4的FR4介質基板上。

圖1 天線結構圖

利用電磁仿真軟件HFSS 對天線參數進行優化設計，最終所得到的天線尺寸為30 mm×50 mm×1.6 mm。表1 給出了最終優化后UWB-MIMO 天線的物理尺寸。

表1 天線物理尺寸 單位：mm

1.2 天線隔離設計

單極子天線具有尺寸小、頻帶寬和剖面低等優點，被廣泛應用于UWB 天線的設計中。［3］其尺寸一般利用等效圓柱法來進行估算。本文以UWB 單極子天線為原型來完成陷波UWB天線的設計。

如圖2 所示，單極子天線等效為具有相同表面積的圓柱形單極子天線，根據最小輻射頻率fL計算圓柱形天線尺寸，利用尺寸變換因子和表面積相等的條件來計算矩形單極子天線的尺寸。下面是估算天線尺寸的經驗公式（頻率的單位為GHz，天線尺寸均為mm）：

圖2 單極子天線和等效圓柱體

考慮到天線與地板之間間距的影響，對式（2）修正得到：

根據以上公式可知，輻射貼片規則結構的天線阻抗帶寬窄不一定能滿足寬頻帶要求，特別是超寬帶天線?？梢酝ㄟ^改變地板和輻射貼片的形狀，獲得需要的性能參數。將單極子天線通過HFSS軟件進行優化，得到了天線正面為正方形輻射貼片、天線背面為半橢圓形接地板即Ant-1，將其印制在大小為30 mm×20 mm，厚度為1.6 mm，相對介電常數為4.4的FR4基板上。

從圖3 中的（b）圖可以發現變形后的單極子天線在UWB 頻帶內基本可以滿足性能要求。想要獲得更好的性能參數，需要繼續優化其結構。剪去天線Ant-1 輻射貼片兩角，并且剪除其上部呈V 字形得到天線2，即Ant-2，該天線的設計結構有助于改善阻抗匹配，既可以獲得寬頻帶，又可實現天線的小型化，如圖4所示。

圖3 變形單極子天線及其電壓回波損耗

圖4 Ant-2天線及其電壓回波損耗

由于天線的性能參數受到天線尺寸的影響，選取Ant-2天線的幾個尺寸作為參數，利用HFSS進行參數分析。

（1）L3的取值

圖5 中可以看出在低頻和中頻段L3 對天線的性能影響不大，在高頻段的9.8 GHz 附近產生一個諧振點，并且當L3=8.4 mm時，S11的值超過-45 dB，綜合以上兩點L3=8.4 mm。

圖5 L3取值對電壓回波損耗的影響

（2）L4的取值

圖6 中，可以發現天線的性能受L4 的影響較大，L4 取12 mm 時在低頻段電壓回波損耗比較好，可以達到-25 dB左右，L4取13 mm時在低頻段不如取12 mm時的性能，但是在高頻段L4取13 mm時天線性能更加符合要求。當取14 mm或15 mm時電壓回波損耗高于-10 dB，不能滿足超寬帶天線的要求，綜合以上L4取13 mm。

圖6 L4取值對電壓回波損耗的影響

復制Ant-2，把兩個Ant-2相互成正交分布得到Ant-3。從圖7 可以看出天線在（3.1～10.6 GHz）UWB 帶寬內，電壓回波損耗低于-10 dB，并且隔離度低于-20 dB。

圖7 Ant-3 及其S參數

1.3 天線陷波設計

（1）陷波原理分析

為了抑制超寬帶內的窄帶信號，可以在特定的頻段區域實現陷波功能。本設計在輻射單元附近加入C 型寄生單元，在漸變微帶線右側增加C 型寄生枝節，其總長度近似為5.5 GHz 頻段對應波長的一半，使其在5.38～5.85 GHz頻段形成阻帶。［4］C型枝節總長度為12 mm。

（2）天線在UWB頻段內參數性能

從圖8（a）可以發現在低頻帶S11可以達到-15 dB，在中高頻帶S11 也都在-10 dB 以下，從圖8（b）可以發現在整個超寬帶工作區間天線的隔離度遠低于-20 dB。其中在5.3～5.8 GHz 附近波段產生阻帶，實現了陷波功能，并且在超寬帶內天線的S11均小于-10 dB，并且隔離度在低頻區域低于-25 dB，在中頻區低于-22.5 dB，在高頻區低于-25 dB。圖9為Ant-4在5.5 GHz處表面電流分布圖。

圖8 Ant-4及其性能圖

圖9 Ant-4在5.5 GHz處表面電流分布圖

2 天線仿真與測試結果

為了驗證設計的準確性，按照商用軟件HFSS優化的結果加工出天線實物，見圖10，天線尺寸為30 mm×50 mm，其中（a）是正面圖，（b）是背面圖。

圖10 天線實物圖

（1）天線S參數測試結果

從圖11（a）可以發現在低頻帶S11 可以達到-15 dB，在中高頻帶S11 也都在-10 dB 以下，從圖11（b）可以發現在整個超寬帶工作區間天線的隔離度遠低于-20 dB。仿真與測試結果基本吻合。

圖11 天線S參數仿真與測試結果

（2）電壓駐波比

從圖12可以看出，天線的電壓駐波比在工作頻段內除陷波區間（5.38～5.85 GHz）其值都小于2。

圖12 電壓駐波比

（3）包絡相關系數（ECC）

天線的ECC 參數值能通過公式（4）計算，也可以在HFSS 軟件里面自動生成。［5］如前文所述，MIMO 天線性能在設計時ECC 參數值要求小于0.5。天線計算的ECC 值如圖13 所示。從圖13中可以看出，整個頻帶的ECC 值均小于0.15，遠小于0.5。

圖13 天線包絡相關系數

最后將本文設計的天線與參考文獻［6-9］的天線進行比較，本文設計的天線設計做到了小型化，并且隔離度也明顯要更好，S21 小于-20dB，可以達到-22.5 dB。且在超寬帶內對窄帶信號（5.38～5.85 GHz）具有限波特性，［10］在性能方面具有一定的優勢。

表2 天線比較

3 結語

本文通過將輻射單元正交放置以及增加C型枝節來達到陷波的方法設計了一款MIMO 天線，經過仿真與實測發現該天線在3.1～10.6 GHz 的超寬帶（UWB）頻段范圍內，天線的隔離度大于20 dB。并在超寬帶內實現了在（5.38～5.85 GHz）WLAN 的上行區間的陷波功能，仿真與測試結果吻合較好。