四元超寬帶高隔離MIMO槽天線的設計

舒海峰,杜成珠,楊福慧

(1.上海電力大學 電子與信息工程學院,上海 200082;2.中電科微波通信(上海)有限公司,上海 201800)

0 引言

近年來,隨著無線通信技術的快速發展,人們對通信系統的帶寬、傳輸速率及通信質量的要求不斷提升。多輸入多輸出(MIMO)技術能有效減小因信道多徑效應產生的影響,降低誤碼率,提高通信系統的可靠性[1]。同時MIMO系統采用多個天線進行收發,能實現更高的數據傳輸率和信道容量。目前頻譜資源日益緊張,超寬帶(UWB)通信系統因具有高數據傳輸速率、抗多徑干擾、穿透能力強、低成本及高精度等優勢而備受關注[2]。2002年,美國聯邦通信委員會(FCC)首次將3.1～10.6 GHz劃分到民用通信領域[3],超寬帶天線逐漸成為國內外學者的研究熱點。常規的微帶貼片天線[4]、平面螺旋天線[5]、Vivaldi天線[6]和對數周期天線[7]等均能實現超寬帶特性,且各有優點。微帶天線成本低,易加工;平面螺旋天線體積小,但對加工精度要求較高;Vivaldi天線和對數周期天線的尺寸偏大,但它們與平面螺旋天線一樣都具有端射特性,能實現定向輻射。

將超寬帶與MIMO技術相結合,能大幅提升通信系統性能,使其具有傳輸速率高,抗多徑衰落能力強的特點。采用微帶形式來實現超寬帶有許多辦法,如采用缺陷地結構(DGS)[8-10]、共面波導(CPW)饋電[11]、將饋線進行漸變設計[12]等。在多元MIMO天線中,如何降低單元之間的隔離度也是設計的難點之一。常用的方法有:通過將各個單元正交放置,使其兩兩垂直,再利用極化分集來提高隔離度[13];通過在單元之間加載隔離結構[14]或分形解耦枝節[15]來增加耦合路徑,降低單元間的互耦;加入中和線[16]和EBG[17]結構同樣能實現好的隔離效果。目前所提出的超寬帶MIMO天線多采用側饋的饋電方式,但對于飛速發展的今天我們需要集成能力更強的天線。采用CPW饋電的槽天線因其輻射貼片與地板均在同一個面,相比于側饋的饋電方式,采用該饋電方式的天線更易被應用于集成通訊系統中。

基于上述考慮,本文提出了一款CPW饋電的四元超寬帶高隔離的MIMO天線。天線由4個槽單元天線組成,采用切角和缺陷地結構(DGS)實現的工作頻段能覆蓋2.86～11.1 GHz。單元天線采用正交放置,同時在基板中間加載了隔離欄柵結構,使各單元間的隔離度優于20 dB。天線整體結構緊湊,具有全向輻射性,在工作頻段去耦性能優異。

1 天線結構設計

1.1 天線整體結構

本文所設計的天線采用FR4介質基板,其介電常數和厚度分別為4.4和0.8 mm。天線結構和實物如圖1所示,整體尺寸為65 mm×65 mm×0.8 mm。天線由4個單元槽天線組成。單元天線采用共面波導的方式進行饋電,并通過采用缺陷地結構和切角的方式實現了超寬帶特性。為了提高各端口之間的隔離度,4個單元天線正交放置并在中間加載隔離欄柵結構。天線具體尺寸如表1所示。

表1 天線參數尺寸 mm

圖1 天線結構和實物圖

1.2 天線的設計過程

圖2給出了天線的具體設計過程。天線Ⅰ為最初設計的天線,其采用共面波導饋電,單元天線正交放置以提高隔離度,同時將矩形貼片及接地板進行切角處理,進一步擴大了天線的阻抗帶寬,實現了超寬帶特性。天線Ⅱ在天線Ⅰ的基礎上加入“十字形”隔離欄柵結構,使各端口之間的隔離度在工作頻段能達到20 dB。

圖2 天線的設計過程

2 天線仿真分析

本文采用商用電磁仿真軟件HFSS 15.0進行天線的仿真設計。圖3描述了從天線Ⅰ到天線Ⅱ各S參數的變化。由于天線是中心對稱,文中不再給出S41的變化過程。由圖3(a)可見,天線Ⅰ對矩形貼片和接地板進行了切角處理,改善了貼片表面電流的均勻分布,提高了輸入阻抗的穩定性,在很大程度上拓展了天線的帶寬,最終頻帶能覆蓋2.33～11.22 GHz,實現超寬帶特性。天線Ⅰ將單元天線正交放置,在空間中實現了極化分集。在圖3(b)中可以看出天線Ⅰ的S21在工作頻段均小于-20 dB。

圖3 天線Ⅰ到天線Ⅱ S參數的變化

由于天線Ⅰ的S31在2～4 GHz約為-15 dB,為了改善此情況,在天線Ⅱ中加載了“十字形”隔離欄柵結構,將耦合電流集中到隔離結構上,從而增加天線的解耦能力。加入隔離欄柵結構后,天線的S31在低頻明顯降低,改善了低頻的互耦情況,同時對天線的回波損耗幾乎無影響。盡管S21低頻有所上升,但在3.1～10.6 GHz上隔離度均優于20 dB。

圖4為天線加載隔離結構前后的電流對比圖。由圖4(a)可見,無隔離結構的天線隔離性差,大量電流從激發端口1流向其他端口。由圖4(b)可見,添加隔離結構后,相互耦合電流顯著降低,隔離分支阻止了來自端口1的電流流入其他天線元件,這表明隔離結構具有很好的隔離效果,使天線具有良好的隔離性能。

圖4 天線Ⅰ和天線Ⅱ的電流分布圖

由于隔離分支主要能有效地在較低頻段(2～4 GHz)內改善天線的S31,所以對天線的S31進行了分析。圖5為不同數量的隔離枝節的S31變化情況。由圖可見,當枝節數為3時,S31在所有頻段都小于-20 dB。

圖5 不同隔離枝節數對S31的影響

3 天線加工與實測

使用矢量網絡分析儀對天線的S參數進行測試,實測結果如圖6所示。天線實測帶寬能覆蓋2.86～11.1 GHz,端口間的隔離均優于20 dB。由于環境因素和焊接的影響,實際的測試結果與仿真結果有差別,但是在超寬帶范圍內均小于-10 dB,阻抗匹配都較好,滿足超寬帶范圍內信號的輸入與輸出。

圖6 天線S參數實測仿真對比圖

在專業微波暗室中測試天線的遠場方向圖。圖7給出了天線在3 GHz、5 GHz、7 GHz和9 GHz仿真和測試的遠場輻射情況。該天線E面大體呈“8”字形,H面呈“O”字形,具有良好的輻射性能。由于測試環境的不確定性和制造公差,測量結果與仿真結果略有不同,但總體輻射性能良好。

圖7 天線輻射方向圖的仿真與測試結果

天線的實際增益和仿真增益如圖8(a)所示,測試增益為2.78～7.29 dB。在某些頻率下,測量的增益比模擬的增益略弱,這通常歸因于測量環境的不確定性和SMA連接器的損失。為了評估 MIMO 系統中各個天線單元之間的相關性,圖8(b)給出了實測和仿真的參數包絡相關系數(ECC)。仿真與測試所得ECC值在超寬帶范圍內都低于0.006,表明天線各端口間具有良好的獨立性,隔離性能優異。

圖8 天線增益、ECC實測仿真對比圖

表2是本文與相關文獻中天線的性能對比。由表可見,本文提出的四元超寬帶MIMO天線具有較高的隔離度,采用CPW饋電的形式更適用于各種集成通信系統中。

表2 天線性能對比表

4 結束語

本文提出了一款CPW饋電的四元高隔離超寬帶MIMO天線。采用CPW饋電的天線能更好地應用于集成電路中。加載了隔離欄柵結構的MIMO天線具有良好的隔離性能。天線實測工作頻段能覆蓋2.86～11.1 GHz,隔離度優于20 dB。該天線具有較小的ECC和良好的全向輻射性能,最大增益能達到7.29 dB,在超寬帶通信系統中具有很好的應用價值。