一種高隔離度的三阻帶超寬帶MIMO天線設計

靳高雅,杜成珠,焦哲晶,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 201802)

美國聯邦通信委員會(FCC)批準3.1～10.6 GHz為民用超寬帶頻段以來,超寬帶無線電技術越來越受到研究學者的關注[1]。隨著科學技術的發展和人們生活水平的提高,對超寬帶天線性能的要求也就越來越高。除了寬帶、低成本、小型化、易集成等要求外,超寬帶系統還要求具有濾波性能,以屏蔽民用超寬帶頻段范圍內其他用途窄帶通信的干擾。在超寬頻應用范圍內,現有的通訊系統包括5.15～5.35 GHz(WLAN)系統和3.4～3.69 GHz(WiMAX)系統等。因此,有必要給超寬帶天線加入相應的阻帶來解決這一潛在問題[2-3]。

隨著第五代移動通信技術(5G)的出現,MIMO技術被廣泛認為是研究最多的前沿技術之一。它可以有效地擴展系統的信道容量,提高通信質量。為解決MIMO天線單元間的耦合問題,學者們提出了一系列解耦的方法,例如文獻[4]和文獻[5]中采用的中和線技術、文獻[6]中的地分支、文獻[7]中的寄生貼片、文獻[8]中的缺陷地結構及文獻[9]采用超材料來進行天線設計等。文獻[10-13]采用不同形狀的輻射貼片,又通過改變擺放位置、增加中和線、隔離枝節進行解耦,最終達到了UWB-MIMO天線的工作要求,但是這些天線都沒有對窄帶通信的頻段進行屏蔽,工作時極易受到干擾。文獻[14]和文獻[15]通過在貼片上分別開C型槽、L型槽,使天線在滿足超寬帶的前提下實現了單阻帶和雙阻帶的特性,但面對眾多的窄帶通信頻段,這些設計仍然無法滿足需求。

基于上述研究,本文設計了一種以FR4為介質基板的三阻帶超寬帶MIMO天線。通過在U型輻射貼片上腐蝕兩個C型槽及在饋線兩側增加兩個對稱的C型枝節來阻斷WiMAX、WLAN和7.5 GHz-X波段的干擾,最后在接地板上引入一個T型隔離枝節,從而實現了高隔離的特性。實測結果表明:該天線在1.89～12.95 GHz工作帶寬下可以有效隔離WiMAX、WLAN和7.5 GHz-X波段的干擾,端口隔離度均小于-20 dB,峰值增益可達6.94 dB。

1 天線結構設計

本文所提出的天線結構如圖1所示。天線介質基板為FR4,相對介電常數為2.9,損耗角正切為0.002,厚度為0.8 mm。天線的整體尺寸(L×W)為58.4 mm×32.4 mm。

圖1 天線的結構示意圖Fig.1 Configuration of the proposed antenna

通過電磁仿真軟件Ansoft HFSS 13對各天線參數的仿真和優化結果如表1所示。

表1 天線的尺寸Tab.1 Dimensions of the proposed antenna mm

天線的設計過程如圖2所示。首先以兩個半圓形單極子天線為基礎,通過開U形槽和在半圓形輻射貼片的兩側增加兩個相同的矩形貼片的方法延長了外圍的輻射電流路徑,從而拓展天線的工作帶寬。為了將天線的工作帶寬進一步拓寬,選擇延長接地板上的電流路徑,因此在饋線下方的接地板上增加了一個矩形貼片,并通過在這個矩形貼片上開槽的設計來達到超寬帶的要求,從而得到了天線Ⅰ的結構。

其次為了屏蔽窄帶通信頻段WiMAX(3.4～3.6 GHz)和WLAN(5.15～5.825 GHz)的干擾,在天線Ⅰ的輻射貼片上刻蝕了兩個C型槽,通過調整C型槽的位置和長度使其達到了兩阻帶的效果。為了隔離7.5 GHz-X波段的干擾,在饋線的兩側增加對稱的C型枝節,從而實現了具有三阻帶特性的天線Ⅱ。

最后為了使天線Ⅱ有較高的隔離性能,選擇在接地板上引入一個T型隔離枝節來阻斷兩個天線單元之間的耦合電流,從而得到了天線Ⅲ,天線Ⅲ即本文最終所提出的天線。上述設計過程中的天線Ⅰ、天線Ⅱ、天線Ⅲ的S11和S21仿真曲線分別如圖3和圖4所示。

圖2 天線設計過程Fig.2 Antenna design process

圖3 設計過程中的S 11仿真結果Fig.3 Simulated results of S 11 in the design process

圖4 設計過程中的S 21仿真結果Fig.4 Simulated results of S 21 in the design process

根據最終的優化模型,按照表1中的尺寸進行了天線加工,實物如圖5所示。

2 仿真及實測結果

本文使用電磁仿真軟件Ansoft HFSS 13對天線結構及參數進行了仿真分析,并且綜合了天線實物的測試結果,對天線的S參數、電流分布圖、輻射性能、增益及ECC進行了討論。

圖5 天線實物圖Fig.5 Photograph of the fabricated antenna

2.1 尺寸參數

選擇產生阻帶結構的三個參數進行仿真分析。產生阻帶的頻段理論上取決于輻射貼片上所開C型槽的位置和長度。開槽的長度均按照阻帶頻點的四分之一波長來設計,當第一個C型槽的半徑R1發生變化時,該天線的S11仿真數據如圖6所示。從圖6可以明顯看出,隨著半徑R1的增大,3.5 GHz處的阻帶慢慢向低頻方向移動。同理,當第二個C型槽半徑R2發生改變時,仿真結果如圖7所示,5.5 GHz處的中頻阻帶也出現了同樣的變化趨勢。

圖6 不同尺寸R 1的S 11仿真結果Fig.6 Simulated results of S 11 with different values of R 1

圖7 不同尺寸R 2的S 11仿真結果Fig.7 Simulated results of S 11 with different values of R 2

為了隔離7.5 GHz-X波段的干擾,在饋線的兩側增加了對稱的C型枝節,因此選擇C型枝節長度相關的L11為變量進行討論分析。仿真結果如圖8所示,隨著L11的不斷增大,高頻阻帶的頻率范圍也在向低頻方向移動。綜上所述,當參數R1、R2、L11中一個參數發生變化時,該參數所對應的阻帶頻點也會產生相應的變化,而另兩個阻帶范圍所受到的影響幾乎很小,因此比較容易實現該天線的三阻帶特性。

圖8 不同尺寸L 11的S 11仿真結果Fig.8 Simulated results of S 11 with different values of L 11

2.2 S參數及電流分布圖

圖9為該天線仿真和實測的S11對比圖。由圖9可以看出,實測結果與仿真結果基本吻合。由于實測環境的影響和傳輸線的損耗,天線實測的低頻阻帶的范圍達到了2.78～3.29 GHz,這與仿真結果相比略有變寬。在實測時,天線低于-10 dB的工作帶寬達到了1.89～12.95 GHz,并且在2.12～4.09 GHz,5.18～5.92 GHz,7 GHz～8.35 GHz處形成了S11高于-10 dB的三個阻帶,成功地抑制了WiMAX、WLAN和7.5 GHz-X波段的干擾,實測結果滿足天線設計的預期要求。

圖9 天線S 11的仿真與實測值Fig.9 Simulated and measured S 11 of the proposed antenna

圖10為該天線仿真和實測的S21對比圖。在仿真時,天線的S21值從9.62 GHz開始的高頻部分接近-20 dB,但實測時這一部分的結果很明顯比仿真結果好,高頻部分實測甚至達到了-25 dB以下。該天線的實測隔離度整體達到-20 dB以下,這一結果要遠高于MIMO天線隔離度低于-15 dB的一般要求。

圖10 天線S 21的仿真與實測值Fig.10 Simulated and measured S 21 of the proposed antenna

由于MIMO天線端口的對稱性,在分析天線的電流分布時,選擇在左側端口施加激勵,右側端口接50 Ω負載,此時左側天線單元處于工作狀態,仿真得到3.5,5.5和7.5 GHz三個阻帶頻點的電流分布圖,結果如圖11所示。從圖11(a)可以看出,天線工作在3.5 GHz時,電流主要集中在較長的C型槽附近,因此在此處開槽可以有效在WiMAX頻段形成阻帶。

圖11(b)為天線在5.5 GHz時的電流分布,此時電流主要集中在較短的C型槽附近,在此處破壞電流的流通路徑形成了WLAN頻段的阻帶。圖11(c)為天線在7.5 GHz時的電流分布情況,由圖可知,此時在C型枝節上的電流很大,那么其阻抗幾乎為零;其他部分的電流很小,那么其阻抗就很大。由于阻抗的不匹配從而在7.5 GHz-X波段生成了一個阻帶。從圖11中也可以看出,由于T型去耦結構的存在,右側的天線單元上幾乎沒有產生耦合電流,從而驗證了該MIMO天線具有良好的隔離性能。

2.3 輻射方向圖

通過電磁仿真軟件Ansoft HFSS 13和Satimo球面遠場測量系統對本文提出的天線進行輻射特性的研究。當天線工作在4.5,6.5和9 GHz時,E面和H面仿真和實測輻射方向圖如圖12所示。在4.5 GHz時,天線E面的方向圖為 “8”字狀,雙向輻射效果明顯;在6.5 GHz時,E面的方向圖呈現近 “8”字狀,H面的方向圖接近一個圓,基本可以滿足全向性的要求;在高頻9 GHz時,由于實測環境和誤差導致了輻射效果有所惡化,但是整體仍可以滿足要求。

圖11 天線的電流分布圖Fig.11 The current distribution map of the proposed antenna

圖12 輻射方向圖的仿真與實測結果Fig.12 Simulated and measured results of radiation pattern

2.4 增益

圖13為該三阻帶UWB-MIMO天線的仿真和實測增益對比圖。從圖中可以看出,由于測試環境和實際誤差的存在,使實測的增益要低于仿真值,但是在3.5,5.5和7.5 GHz附近,可以看出天線的增益明顯降低,這意味著該天線可以有效地隔離WiMAX、WLAN和7.5 GHz-X波段的信號,最大實測增益可以達到6.94 dB。

圖13 增益的仿真與實測結果Fig.13 Simulated and measured results of gain

2.5 ECC

由于MIMO天線存在多條信道,因此可以采用包絡相關系數(ECC)來判斷天線單元間的相互依賴程度。當MIMO天線的信號在同向同性環境中傳播時,其相關系數計算公式如下:

由于MIMO天線端口對稱的特性,即S11和S22近似,S12和S21近似,因此將S11和S21仿真與實測結果代入式(1),最終的ECC曲線如圖14所示。由于測試時的電纜損耗和環境影響,實測的ECC結果要差于仿真結果,但是在整個超寬帶頻段內其ECC值均小于0.05,這遠遠高于對MIMO天線的要求。

3 性能比較

將本文所提出天線與近幾年文獻所發表的UWBMIMO阻帶天線在尺寸、帶寬、阻帶范圍、隔離度、增益和ECC等方面進行了比較,如表2所示。通過表2對比可以看出,本文所設計的天線具有較寬的工作頻帶,較高的隔離度,并且可以同時阻斷WiMAX、WLAN和7.5 GHz-X波段信號的干擾,峰值增益可達到6.94 dB。

圖14 ECC的仿真與實測結果Fig.14 Simulated and measured results of ECC

表2 天線性能參數對比Tab.2 Comparison of antenna performance parameters

4 結論

本文設計了一種以FR4為介質基板的高隔離度三阻帶超寬帶MIMO天線。天線由兩個水平放置的輻射單元組成,通過開槽和增加寄生枝節有效抑制了WiMAX、WLAN和7.5 GHz-X波段的干擾,并在地板上增加T型隔離枝節,從而大大提高了該MIMO天線的隔離性能。

實測結果顯示,天線的工作帶寬為1.89～12.95 GHz,分別在2.12～4.09 GHz,5.18～5.92 GHz,7～8.35 GHz處形成了三個S11高于-10 dB的阻帶,工作頻帶內的端口隔離度均低于-20 dB。此外,對該天線也進行了遠場輻射方向圖、增益和ECC的仿真和實測,結果表明天線具有良好的輻射性能、較高的隔離性能和增益。該天線在可抑制窄帶干擾信號的超寬帶通信領域具有良好的應用前景。