一種陷波超寬帶MIMO天線設(shè)計

鄧永云 代喜望 羅國清

(杭州電子科技大學(xué),杭州 310018)

引 言

近年來,隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展,人們對信道容量及可靠性的需求也日益增長. 隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和智能家居在生活中的普及,超寬帶系統(tǒng)因為具有頻譜資源豐富、傳輸速率快和保密性強、功耗低等優(yōu)點,成為當(dāng)今研究的熱點之一[1]. 然而超寬帶系統(tǒng)的輻射功率相對較低,使其很難實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸. 將UWB技術(shù)與MIMO 技術(shù)結(jié)合,利用MIMO技術(shù)的抗多徑衰落能力,實現(xiàn)多條路徑同時傳輸,就可以在不增加天線輻射功率的前提下,顯著提升 UWB 系統(tǒng)的傳輸距離,而且UWB-MIMO 系統(tǒng)的低輻射功率也符合“綠色通信”的理念[2]. 在實際應(yīng)用中,由于UWB頻帶范圍內(nèi)包含了很多窄帶通信,如 WiMAX(3.3 ～3.8 GHz)、WLAN(5.15 ～5.85 GHz)等,為了實現(xiàn)窄帶系統(tǒng)與UWB系統(tǒng)之間的電磁兼容,UWB系統(tǒng)中往往需要添加窄帶濾波器,而陷波功能可以在一定程度上替代濾波器的作用. 因此,帶有濾波特性的 UWB-MIMO天線應(yīng)運而生[3-4]. 其中陷波特性功能的實現(xiàn)方法主要為在輻射單元或地面上刻蝕形式不同的諧振槽[5-6],或者在輻射單元或饋線附近添加寄生抑制單元或諧振器[7-8]. 而超寬帶特性的實現(xiàn)技術(shù)包括采用階梯結(jié)構(gòu)或者分形結(jié)構(gòu)的輻射單元[9-10],或者在接地面設(shè)置縫隙結(jié)構(gòu)[11]. MIMO天線的性能優(yōu)劣取決于接收到的信號是否具有低相關(guān)性. 因此,設(shè)計的MIMO天線必須具有高隔離度. 常用的提高MIMO天線端口隔離度的方法是使用電磁帶隙結(jié)構(gòu)[12],但是,電磁帶隙結(jié)構(gòu)占用面積大,并且增加了天線的復(fù)雜度. 而有缺陷的接地結(jié)構(gòu)有時也被用作去耦結(jié)構(gòu)來增加天線單元之間的隔離度[13]. 為了保證MIMO系統(tǒng)的工作性能,MIMO系統(tǒng)應(yīng)在整個工作頻帶內(nèi)其天線單元間的隔離度小于-15 dB.

1 天線的設(shè)計

圖1和圖2分別是天線的結(jié)構(gòu)示意圖和實物加工圖,天線單元是微帶單極子天線結(jié)構(gòu),制作在FR4介質(zhì)基板上,介質(zhì)的相對介電常數(shù)為4.4,介質(zhì)損耗正切角是0.02,體積為46 mm×46 mm×0.8 mm. 兩個天線單元正交放置,以此來獲得兩正交分布的方向圖. 并且通過在兩天線單元對稱軸上加載一段矩形枝節(jié),使端口間的隔離度獲得明顯提升.

為了產(chǎn)生WLAN的陷波,在階梯矩形輻射貼片上添加一個矩形開口槽. 而槽的長度可由下式估算:

(1)

式中:L表示開口槽的長度;c表示光速;f0為阻帶所對應(yīng)的中心頻率;εr和εeff分別是介質(zhì)板的相對介電常數(shù)和有效介電常數(shù). 通過式(1)計算在中心頻率為5.5 GHz時,矩形開口槽的長度大約為17 mm,通過電磁仿真軟件HFSS V15.0進行優(yōu)化,得到當(dāng)矩形開口環(huán)的長度為L=17.4 mm時,阻帶特性最好,可以完整地覆蓋WLAN頻段.

(a) 正面 (b) 背面(a) Front (b) Back圖1 超寬帶MIMO天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic of the proposed ultra wideband MIMO antenna

(a) 正面 (b) 背面(a) Front (b) Back圖2 超寬帶MIMO天線實物圖Fig.2 Prototype of the ultra wideband MIMO antenna

2 參數(shù)分析

2.1 阻抗特性分析

該天線的S參數(shù)如圖3和4所示. 仿真結(jié)果顯示在3.1 ～10.86 GHz頻帶內(nèi),除了4.90～5.93 GHz 的陷波頻段,S11均小于-10 dB,這表明天線滿足阻抗要求,實測結(jié)果和仿真結(jié)果基本一樣,陷波帶寬為5.15～6.0 GHz,工作帶寬為2.95～11.2 GHz. 此外,為了提高兩天線單元端口之間的隔離度,在兩天線單元接地面的對稱軸上添加了一段矩形枝節(jié),添加的矩形枝節(jié)改變了電流路徑,減小了兩天線單元端口間的耦合電流,圖3中的仿真結(jié)果顯示,隔離枝節(jié)將天線單元端口間的隔離度由-12 dB提高至-16 dB,圖4中的實測結(jié)果顯示,天線在工作頻段內(nèi)的隔離度都在-20 dB以下.

圖3 有無矩形枝節(jié)時仿真的S參數(shù)Fig.3 The simulated S parameters with or without rectangle stub

圖4 有矩形枝節(jié)時測試的S參數(shù)Fig.4 The measured S parameters with rectangle stub

2.2 輻射特性分析

圖5是天線在3.5、7、9 GHz頻率下的實測歸一化遠(yuǎn)場方向圖. 由于天線是正交對稱放置,端口1和端口2的方向圖大致沿對稱軸相互對稱. 因此,我們可以只研究端口1. 由圖5可以看出:在低頻段,端口1在H面基本呈現(xiàn)出全向性,在E面大致呈現(xiàn)出類單極子的“8”字形;隨著頻率的增加,天線的波長減小不再遠(yuǎn)大于天線的尺寸,天線不再具有電小天線的特性,因此,天線的輻射方向圖發(fā)生變化,不再呈現(xiàn)出類單極子天線的輻射方向圖.

圖6是天線的最大增益和輻射效率隨頻率變化的結(jié)果,在工作頻帶內(nèi),天線的最大增益大致為2～6 dBi,在陷波頻段中,天線的增益驟降至-5.5 dBi左右,有效地解決了超寬帶與WLAN之間的電磁兼容問題. 從圖中可以看到該天線通帶頻帶內(nèi)具有較高的輻射效率,輻射效率都大于90%,在WLAN頻帶內(nèi),天線的輻射效率驟降至30%左右.

(a) xoz面(a) xoz plane

(b) xoy面(b) xoy plane

(c) yoz面(c) yoz plane圖5 輻射方向圖Fig.5 The radiation pattern

圖6 天線的峰值增益和輻射效率Fig.6 Peak gain and radiation efficiency of the antenna

2.3 分集特性分析

包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(envelope correlation coefficient, ECC)反應(yīng)的是天線信號衰落能力. 由于路徑的不同,天線接收到的信號衰落多少具有不確定性,通常情況下,要求天線的ECC小于0.2,該天線的仿真和實測ECC如圖7所示,在工作頻帶內(nèi)ECC總是小于0.1,滿足設(shè)計要求.

圖7 天線單元之間的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)Fig.7 Envelope correlation coefficient between antenna elements

3 結(jié) 論

本文設(shè)計了一款緊湊型單陷波UWB-MIMO天線,天線的通帶和陷波頻段分別覆蓋了超寬帶頻段和WLAN頻段,對稱軸上添加的矩形枝節(jié)使天線單元間的隔離度提升到-20 dB以下,天線的峰值增益為6.43 dBi,ECC在工作頻率范圍內(nèi)都小于0.1. 這表明所提出的帶有濾波功能的UWB-MIMO天線是一種有實際應(yīng)用價值的緊湊型陷波UWB-MIMO天線.