一種小型化超寬帶MIMO天線設計

吳艷杰 龍云亮

(中山大學電子與通信工程系,廣州 510006)

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一種小型化超寬帶MIMO天線設計

吳艷杰 龍云亮

(中山大學電子與通信工程系,廣州 510006)

提出了一種基于槽天線的小型化、高隔離度的超寬帶(Ultra Wideband,UWB)多入多出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)天線. 該MIMO天線由兩個槽天線單元構成,為了增加天線阻抗帶寬,每個槽天線單元由末端帶有圓形貼片的微帶線和末端為圓形的槽線兩部分耦合饋電. 采用在地板上開槽和方向圖分集方法,減少地板表面波和空中電磁波影響,達到提高天線隔離度的目的. 數值仿真和實驗結果表明:該天線在3.1～11 GHz頻段內滿足端口反射系數|S11|<-10 dB, 隔離度 |S12| 在7～11 GHz頻段內小于-25 dB, 在3.1～7 GHz頻段內小于-16 dB, 并根據仿真和測試S參數計算了包絡相關系數.

超寬帶天線;多入多出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)天線;高隔離度;槽天線

DOI 10.13443/j.cjors.2015070401

引 言

超寬帶(Ultra Wideband,UWB)天線系統因具有功耗低、速度快、抗干擾性好等優點而得到學者們的廣泛關注,有關單個超寬帶天線的文章已發表許多篇[1-6]. 多入多出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)天線技術的應用能顯著提高數據傳輸速率和信道容量[7]. UWB和MIMO技術的結合則使通信速率進一步提高,最高可超過1 Gb/s[8]. 其中,如何在保持天線系統小體積的前提下,設計出具有高隔離度的UWB MIMO 天線是一個關鍵問題,這也使得UWB MIMO天線設計成為最近的研究熱點.

文獻[9]提出了一種緊湊型的UWB MIMO天線設計,作者在每個天線單元中利用一個1/3波長的金屬帶和一個1/4波長的開口槽產生5.15～5.85 GHz和3.3～3.7 GHz兩個阻帶,背靠背放置的兩個天線單元之間通過地板上兩個由一條金屬帶連接的凸起獲得很好的隔離度. 文獻[10]中,每個天線單元由天線輻射體和一個連接地板的金屬帶構成,兩個天線單元垂直放置,它們的地平面通過一條金屬帶連接,最終達到提高隔離度的目的. 通過天線正交放置得到雙極化來獲得高隔離度是文獻[11]中采用的方法,但是此文獻中的饋電網絡比較復雜. 而在文獻[12]中,則是通過不同類型的天線得到極化分集的高隔離度MIMO天線. 文獻[13]中,通過在兩個天線單元之間的地板上延伸兩個倒L型分支并且在兩者之間開槽(其終端為圓形)來得到較高的隔離度.上述方法中通過在天線單元之間放置金屬帶或利用天線單元之間的放置位置不同作為去耦隔離結構,從而減少天線單元之間的耦合. 文獻[14]則采用與上述完全不同的方法來提高天線系統隔離度,該文獻在利用一條金屬線連接兩個天線單元,在某個頻段內金屬線上的電流與流經地板的耦合電流大小相等、相位相反,彼此相互抵消,從而提高此頻段內天線的隔離度.但是,這種方法只在某個較窄的頻帶內有效.但是,無論是利用在地板上延長出來的金屬帶還是連接天線單元之間的金屬帶作為去耦結構,都增加了天線的復雜度,提高了天線加工成本.

本文利用槽天線地板較大的特征,通過放置兩個參數完全相同、開口方向不同的槽天線單元,利用在地板上開槽的手段,實現了MIMO天線系統的高隔離度,并且尺寸僅為25 mm×35 mm. 在仿真優化天線性能的基礎上,制作并加工了天線樣品,并對天線的S參數、方向圖等進行了測試,結果表明,該天線在3.1～11 GHz頻段內滿足端口反射系數|S11|<-10 dB,隔離度|S12|在整個阻抗帶寬內不低于16 dB.

1 天線結構設計及天線參數研究

1.1 天線結構與設計

天線結構如圖1所示,饋電網絡和槽天線分別印制在FR4介質基板正反兩面,該介質基板相對介電常數為4.4,正切損耗為0.02,尺寸為35 mm×25 mm×0.8 mm. 該MIMO天線由兩個槽天線(天線單元1和2)、兩條微帶饋線及去耦網絡組成. 每個天線單元包括三部分:1) 微帶線與槽線轉換器;2) 梯形槽1;3) 梯形槽2. 天線單元的第1部分中的微帶線終端的圓形貼片和槽線終端的圓形槽,用于增強天線單元1和2的阻抗帶寬;天線單元第2和3部分的梯形槽,用于拓展天線的低頻阻抗帶寬,最終使每個天線單元都能覆蓋3.1～11 GHz. 兩個天線單元及微帶饋線關于地平面中心點對稱,去耦網絡由一個終端為圓形的槽構成. 具體天線尺寸由表1所示.

圖1 MIMO天線結構圖

表1 MIMO天線尺寸 單位:mm

W1W2W3W4W5W6W7W81751651684227186354L1L2L3L4L5L6L7L8848154034115102665LWR1R2R32535161519

1.2 饋電網絡分析

饋電網絡中微帶線終端的圓形貼片及槽線終端的圓形結構對天線單元的阻抗帶寬有明顯影響.下面分析不同的R2和R3對|S11|的影響.

如圖2所示,隨著R2的變化,|S11|在高頻頻帶內變化不大,尤其是7～11 GHz,但是對低頻段影響很大.R2的增加會延長電流路徑,從而使處于3～ 4 GHz和5～6 GHz的兩個諧振點頻率隨R2的增加而降低. 為了使天線單元獲得更好的阻抗特性,R2取值為1.5 mm.

圖2 |S11|隨R2變化

在圖3中,R3的變化對高頻段的|S11|影響較小,但是,對低頻諧振點影響較大,隨著R3的增大,由于電流路徑的增加,低頻諧振點逐漸降低.

圖3 |S11|隨R3變化

1.3 去耦隔離結構分析

在MIMO天線系統中,天線之間的隔離度是一個很關鍵的指標. 本設計采用在地板開槽和方向圖分集兩種方法,減少地板表面波和空中電磁波的影響,在未加任何其它去耦隔離分支和反射板的情況下,實現了MIMO天線的高隔離度.

由于天線的低頻段波長較長,因此,一般情況下,MIMO天線系統中低頻的隔離度會比較差. 在本MIMO天線設計中,去耦隔離結構能明顯提高天線的低頻隔離度. 圖4所示為端口1激勵,端口2接匹配阻抗時在3.5 GHz的電流分布圖,由圖中可知,在未增加去耦隔離結構前,有較強的電流從端口1耦合到端口2,從而導致MIMO天線系統較差的隔離度. 增加去耦隔離結構后,大部分地板電流被束縛在隔離結構周圍,只有少部分電流從端口1耦合到端口2,同時,去耦隔離結構對天線單元1上的電流影響較小,即對天線單元的性能影響較小.其中,槽末端的圓形槽,可有效提高低頻段的隔離度.其中有無圓形槽和圓形槽的半徑R1對天線單元之間的隔離度及天線單元的阻抗特性有很大影響. 圖5中將有無圓形槽的S參數進行了對比,結果顯示,增加圓形槽后對6～11 GHz高頻段的S參數影響比較小,但是對低頻段S參數有顯著影響. 其中,增加圓形槽后,3.5 GHz附近的頻點的|S11|<-27 dB,拓寬頻點附近頻段的帶寬,使天線單元的阻抗帶寬達到3.1～11 GHz. 同時,低頻段的|S12|在增加圓形槽后也明顯改善,隔離度最大提高8 dB.

圖4 3.5 GHz的電流分布對比圖

圖5 有無圓形槽S參數對比 圖6 |S12|隨R1的變化

去耦隔離結構中另一個關鍵的參數是圓形槽的半徑R1.由于低頻段地板上的電流集中在半徑為R1的圓槽附近,而高頻段的電流主要集中在槽天線上,因此,曲線中低頻段的|S12|變化較大,而高頻段的|S12|變化很小,結果如圖6所示.

(a) 天線正面 (b)天線背面圖7 MIMO天線實物圖

2 天線測試結果及分析

為了對上述天線仿真結果進行驗證,根據圖1中的天線結構圖制作了圖7所示的樣品.

利用安捷倫E5071C對天線樣品進行了測量,測量及仿真結果如圖8所示. 結果表明該天線在3.1～11 GHz頻段內滿足|S11|<-10 dB,|S12|在7～11 GHz頻段內小于-25 dB,在3.1～7 GHz頻段內小于-16 dB.

圖8 測量與仿真S參數曲線圖

(a) 端口1激勵

(b) 端口2激勵圖9 測試與仿真方向圖

利用微波暗室對MIMO天線的方向圖進行了測量,其中,端口1激勵時,端口2匹配50 Ω的負載,反之亦然.

圖9分別給出了在4 GHz和10 GHz頻率下對端口1和端口2激勵時的測量和仿真方向圖.由于去耦結構對電流分布的影響,兩個端口的方向圖表現出不同的輻射特性.

包絡相關系數CEC是MIMO天線設計中的一個關鍵參數,本文通過仿真和實測S參數,利用公式(1) 計算,計算結果如圖10所示.

(1)

圖10 測試與仿真包絡相關系數曲線圖

3 結 論

提出了一種基于兩個結構完全相同槽天線單元構成的超寬帶MIMO天線設計,每個天線單元都具有在3.1～11 GHz頻段內滿足|S11|<-10 dB的阻抗特性.本設計中通過在地板開槽并且該槽末端為圓形,改變地板電流,從而提高MIMO天線的隔離度,尤其是低頻段的隔離度,最終達到|S12| 在7～11 GHz頻段內小于-25 dB, 在3.1～7 GHz頻段內小于-16 dB.通過仿真和實測|S11|、|S12|、|S22|、包絡相關系數以及輻射方向圖驗證天線性能,結果表明:該天線滿足超寬帶頻帶內的阻抗特性并具有良好的隔離度和分集性能.同時,該天線具有體積小、低成本、易加工等優點.

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吳艷杰 (1981-),男,河南人,博士研究生,主要研究方向超寬帶天線、MIMO天線.

龍云亮 (1963-),男,重慶人,教授,博士生導師,研究方向為天線理論與設計、電波傳播理論和電磁數值計算等.

A design of compact ultrawideband MIMO antenna

WU Yanjie LONG Yunliang

(Department of Electronics and Communication Engineering, Sun Yat-Sen University,Guangzhou510006,China)

A compact ultrawideband multiple-input multiple-output(MIMO) antenna with compact and high isolation is proposed in this paper. The proposed antenna is composed of two slot antenna elements. To improve the impedance bandwidth of the MIMO antenna, these two slot antennas end with a circular shape etched on the ground plane are fed by microstriplines with one circular patch end, respectively. To obtain a high isolation, a slot is etched on the ground plane to suppress surface wave, and pattern diversity is introduced. Simulation and measurement results show that the proposed antenna has an wide impedance bandwidth of 3.1-11 GHz with |S11| less than-10 dB and |S12|less than -25 dB in 7-11 GHz, and-16 dB in 3.1-7 GHz. The envelope correlation coefficient is calculated based on measured S-parameters.

ultrawideband antenna; multiple-input multiple-output antenna; high isolation; slot antenna

10.13443/j.cjors.2015070401

2015-07-04

廣東省研究項目(No.2014B090901057，No.2015A030312010)

TN958.93

A

1005-0388(2016)03-0421-06

吳艷杰, 龍云亮. 一種小型化超寬帶MIMO天線設計[J].電波科學學報,2016,31(3):421-425+461.

WU Y J, LONG Y L. A design of compact ultrawideband MIMO antenna[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(3):421-425+461. (in Chinese). DOI:10.13443/j.cjors.2015070401

聯系人： 吳艷杰 E-mail: wuyanjie@gdut.edu.cn