一種高隔離度陷波UWB MIMO天線設計

關鍵詞：陷波；高隔離度；超寬帶；多輸入多輸出

中圖分類號：ＴＮ９７１ 文獻標志碼：Ａ 開放科學（資源服務）標識碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號：１００３－３１０６（２０２４）１１－２６１８－０６

０引言

超寬帶（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ，ＵＷＢ）通信系統具備信道容量大、傳播距離遠和穿透能力強的優點，多輸入多輸出（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ，ＭＩＭＯ）通信系統可有效減小多徑效應對傳輸信號的影響，改善通信質量，并可成倍增加通信系統信道容量［１－２］。所以將ＵＷＢ 技術與ＭＩＭＯ 技術相結合的ＵＷＢ-ＭＩＭＯ 通信系統成為研究的熱點。由于ＵＷＢ 頻段覆蓋頻帶較寬，會與其他現有頻段產生電磁干擾，影響通信質量；ＭＩＭＯ 天線單元間的電磁耦合會使不同天線單元的獨立性降低，從而增加誤碼率。因此研制出具備高隔離度與濾波特性的ＵＷＢ-ＭＩＭＯ 天線成為眾學者攻堅的方向［３］。

為解決ＵＷＢ 頻段與現存通信頻段的干擾問題，可通過在射頻前端加載帶阻濾波器的方法，但該方法不僅會增加產品成本，還會使通信設備體積變大，不符合通信設備低成本、小型化的發展趨勢。目前，常用的實現濾波的技術主要包括開槽技術［４－５］、加載枝節技術［６］和添加寄生枝節技術［７－８］等。同樣，可通過增加天線單元間的間距提高ＭＩＭＯ 天線單元間的隔離度，以此減小單元間的空間耦合與表面波耦合，但這樣也會增加通信設備的體積。目前公開報道的提高ＭＩＭＯ 天線單元間隔離度的方法包括極化分集技術［９］、地板加載隔離枝節［１０］以及中和線技術［１１－１２］等。

針對上述研究背景，基于微帶天線研制了一款具有濾波特性的高隔離度ＵＷＢ-ＭＩＭＯ 天線。基于仿真模型進行實物加工，測試結果驗證了該設計方案的可行性。

１原理分析

１．１單極子天線小型化實現原理

剖面低、易共形是微帶天線的典型特點，本設計以ＵＷＢ單極子天線為基礎單元。由于其結構具有軸對稱特性，因此為實現天線單元的小型化，沿對稱軸將其切半，具體流程如圖１ 所示。

由圖１ 可知，沿對稱軸將天線單元切半后，其饋電線也變為之前寬度的一半，這將造成饋電端口與天線單元間的阻抗不匹配，因此將饋電線改為梯形，從而使饋線特性阻抗從端口至天線單元呈漸變狀態，并在地板上開半圓形槽，以此改善天線阻抗匹配，有效展寬了天線單元的阻抗帶寬。

１．２天線濾波特性實現機理

為解決ＵＷＢ 天線與現存通信頻段［１３］之間的電磁干擾問題，本設計采用在輻射貼片上開槽的方式實現濾波特性。槽縫長度為１／４λ（λ 為濾波頻段中心頻點處的波導波長），位置應選在表面電流較大處，如此可確保電磁能量在濾波頻段處較少地輻射至遠場。為便于后期調試，槽縫形狀選擇簡單易設計的倒“Ｌ”型，輻射貼片上表面電流分布情況與槽縫周圍電流流向如圖２所示。

圖２（ａ）展示了天線工作在濾波頻段中心處輻射貼片上的電流分布，可知表面電流主要集中在槽縫周圍。為了從遠場能量疊加的角度來分析實現濾波特性的機理，對槽縫周圍的電流流向進行觀察，如圖２（ｂ）所示，槽縫四周的電流幅值幾乎相等、且流向互反，因此在遠場區域該頻點無能量輻射出去。

１．３天線單元間去耦機理

隔離度是衡量ＭＩＭＯ 天線性能的重要指標之一，其參數的優劣直接影響ＭＩＭＯ 通信系統的通信質量。通過在天線單元中間加載枝節實現天線單元間的高隔離度，具體實現過程如圖３所示。

由圖３可以看出，去耦枝節演變過程包含３ 步：未加載任何去耦枝節、加載矩形去耦枝節和加載Ｔ 型去耦枝節。為進一步表示不同結構的去耦效果，圖４ 給出了天線工作在４．５、９ ＧＨｚ 時不同結構的耦合電流分布情況。可以看出，天線單元對稱放置未加載去耦枝節情況下，在４．５、９ＧＨｚ 頻點處均有較多的能量耦合；加載矩形去耦枝節后臨近單元的耦合電流有所減小，但顏色相對比較明顯，這說明耦合電流還是較大；將矩形枝節更新為Ｔ 型枝節后，可明顯看出鄰近天線單元的耦合電流減小，僅有較小的電磁能量耦合到鄰近天線單元，大部分耦合電流均分布在了Ｔ 型去耦枝節上，這驗證了Ｔ 型去耦枝節可有效地提高ＭＩＭＯ 天線單元間的隔離度。

為定量地分析不同結構對減小耦合所起到的作用，圖５ 給出了電壓傳輸系數曲線。可以看出，當去耦枝節如結構３所示時，天線單元間的隔離度均大于２０ｄＢｉ。

２天線設計

通過對正八邊形輻射貼片切半處理，得到ＭＩＭＯ 天線的單元，將其關于對稱軸進行翻轉得到所設計的天線結構。仿真模型與實物如圖６ 所示，介質基板厚１．０ ｍｍ，相對介電常數為３．５，天線平面尺寸為２３．０ ｍｍ × ２６．０ ｍｍ。

天線正面為帶有槽縫結構的輻射貼片，背面為帶有去耦枝節與缺陷半圓的地板結構。所設計天線的主要結構參數如表１ 所示。

３結果分析

３．１散射參數

散射參數是衡量無源微波器件至關重要的參數，反射系數用來表征饋電端口與天線自身特性阻抗的匹配情況，電壓傳輸系數用來表征不同天線單元間的隔離度。圖７ 為反射系數與電壓傳輸系數仿真與測試結果。

如圖７（ａ）所示，天線的阻抗帶寬覆蓋２． ９ ～１１． ５ ＧＨｚ，完全覆蓋ＵＷＢ 頻段，濾波頻段為２． ９ ～１１． ５ ＧＨｚ，除濾波頻段外反射系數均小于－１０ ｄＢｉ；電壓傳輸系數在阻抗帶寬覆蓋內均小于－２０ ｄＢｉ，說明所設計天線的隔離度較好。

３．２增益仿真及測試結果

仿真與測試的增益值結果如圖８所示。

由圖８ 可以看出，隨著工作頻率的升高，天線的增益值逐漸增大且趨勢較為穩定。在濾波頻段中心頻點５． ５ ＧＨｚ 時增益降至－６ ｄＢｉ，在通帶頻段內增益值均大于１．７ｄＢｉ，由此可知輻射貼片開槽的方式可以很好地實現阻帶特性。由于介質基板的不穩定性和測量誤差，實測結果略小于仿真結果。

３． ３輻射方向圖仿真及測試結果

天線工作在不同頻點處仿真與測試的輻射方向圖如圖９所示。

由圖９ 可知，不同頻點處的歸一化輻射方向圖仿真與測試結果吻合度良好，天線的Ｈ 面方向圖不再呈全向特性，且隨著頻率的升高方向性逐漸增強，有利于ＭＩＭＯ 系統實現方向圖分集功能。交叉極化比在３ 個頻點處均較大，證明天線的主極化與交叉極化間的隔離度較高。

３．４包絡相關系數測試結果

相關系數用來表征ＭＩＭＯ 天線系統鄰近天線單元獨立工作的能力，相關系數越小，ＭＩＭＯ 天線單元獨立工作的能力越強。ＭＩＭＯ 天線的包絡相關系數（Ｅｎｖｅｌｏｐｅ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ＥＣＣ）可由已知的散射參數進行計算得到，所設計天線的ＥＣＣ 結果如圖１０ 所示。

由圖１０可知，所設計天線在３． １～１０．６ ＧＨｚ 頻段ＥＣＣ＜０． ０５，說明ＭＩＭＯ 天線單元接收信號的獨立性很強，可以為ＭＩＭＯ 通信系統提供良好的分集增益效果。

為展示本設計的先進性，與已發表的類似成果進行了對比，如表２所示。

由表２ 可知，所設計天線在單元數量相同的條件下，與同類別ＭＩＭＯ 天線相比，尺寸具有明顯優勢，且在緊湊的結構下，天線單元間的隔離度較高。

４結束語

所設計天線阻抗帶寬為２．９ ～ １１．５ ＧＨｚ，完全覆蓋ＵＷＢ 頻帶，陷波頻段為５． ０ ～ ５． ９ ＧＨｚ，陷波中心頻點增益值降低至－６ ｄＢｉ，且在整個ＵＷＢ 頻帶范圍內隔離度測試結果均優于２０ ｄＢｉ。上述仿真與測試結果驗證了切半法實現天線單元小型化、加載Ｔ 型枝節與方向圖分集減小天線單元間的耦合、輻射貼片開槽縫實現阻帶等技術的可行性。與之前類似成果相比，在天線單元數量相同的情況下，具備小型化、高隔離度和良好的濾波特性，為ＵＷＢ 通信系統的射頻部分提供了有力的理論支撐。

作者簡介

李其強 男，（１９８８—），博士研究生，高級工程師。

王新 男，（１９８９—），博士，高級工程師。

楊凱 男，（１９８９—），博士研究生，高級工程師。

趙義 男，（１９９４—），博士研究生。主要研究方向：射頻、天線與微波技術。