一種小型化雙陷波超寬帶MIMO 縫隙天線設計

蘇勇銘,黃玉蘭,呂梅

(西安郵電大學 電子工程學院,陜西 西安 710121)

隨著無線通信技術的不斷進步,人們對無線通信系統的傳輸速率、信道容量以及通信質量的要求越來越高,傳統單天線系統已經無法滿足通信需求,因此用復用和分集增益來提高無線系統容量和鏈路質量的多輸入多輸出(MIMO)天線技術逐漸成為無線通信發展的重要內容[1-3]。與此同時,為更好地發揮出MIMO天線技術的優勢,將MIMO 技術與超寬帶技術相結合,不僅可以提高數據傳輸效率、抑制多徑效應,而且通信質量和容量也會有很大的提升[4-5]。

近年來,隨著系統的集成度越來越高,這就要求設計的天線尺寸越來越小,但尺寸減小勢必會使各輻射單元的間距過近,耦合效應增強,單元獨立性降低,進而對整個天線的收發性能造成嚴重影響。同時,超寬帶頻段內存在著如WLAN(5.15～5.825 GHz)和X上行頻段(7.9～8.4 GHz)等窄帶頻段的干擾,對窄帶頻段的阻斷研究也已迫在眉睫。因此,設計出兼顧小型化、高隔離度指標且能濾除窄帶干擾的超寬帶(UWB) MIMO 天線具有十分重要的意義。當前天線小型化技術有開槽[6]、彎折[7]和分形技術[8]等,提升隔離度的方法有引入中和線[9]、去耦合網絡[10]、添加地板枝節及缺陷地結構[11-12]等。文獻[13]設計了一種共面波導饋電的MIMO 天線,天線單元正交放置以實現模式分集,在不使用任何解耦結構的情況下增強單元間的隔離;文獻[14]提出一種F 型枝節隔離結構,去耦效果顯著,隔離度達到-20 dB,但存在尺寸較大的問題;文獻[15]設計了一款尺寸為26 mm×26 mm的小型化UWB MIMO 天線,通過在接地板上刻蝕出T型槽來提高隔離度,但效果不理想;文獻[16]將天線單元正交放置并在接地板上增加隔離枝節以實現高隔離的目的。總結前人的研究可以看出,現在設計的很多MIMO 天線仍無法很好地平衡小型化與高隔離度之間的關系,除此之外,有些UWB MIMO 天線無法濾除頻帶內的窄帶干擾。

基于此現狀,本文提出一種小型化雙陷波超寬帶多輸入多輸出(UWB MIMO)縫隙天線,設計帶寬為3.1～11.2 GHz,滿足超寬帶天線要求,引入的陷波結構能夠很好地解決WLAN(5.15～5.825 GHz)和X 上行頻段(7.9～8.4 GHz)的電磁干擾,它具有24 mm×24 mm×0.8 mm 的緊湊尺寸,并且天線在工作頻帶內的隔離度低于-20 dB,增益平坦。

1 天線的設計及分析

本文設計的小型化UWB MIMO 天線幾何結構如圖1 所示。該天線選用厚度為0.8 mm、相對介電常數為4.4 以及損耗角正切為0.02 的FR4 介質基板進行制備。天線單元為微帶縫隙天線,其具有外形小、重量輕、成本低、易于與其他電路集成等優點。天線底面的漸變切角縫隙是在傳統階梯縫隙基礎上改進得到的,兩者都是通過縫隙的不同部分來產生不同諧振,多個諧振組合起來進而形成超寬帶。不同的是,一方面設計中為實現小型化,在傳統階梯縫隙直角的基礎上進行切角處理,從而在有限的空間內進一步延長了表面電流長度,獲得原來需要更大尺寸才能實現的諧振;另一方面,設計中L10和L12矩形槽關于漸變切角縫隙中軸線是非對稱的,與傳統階梯縫隙相比,非對稱形式不再拘泥于階梯縫隙關于中軸線對稱的模式,在設計上可以更加靈活地得到相關諧振,同時非對稱形式使槽兩側表面電流路徑不同,可以產生更多諧振,有利于超寬帶工作頻段的實現。

圖1 天線結構示意圖Fig.1 Antenna structure of proposed design

該UWB MIMO 天線設計分為四個步驟:步驟一,如圖2(a)所示,設計出兩個叉型微帶饋電的縫隙天線單元,叉型結構相比于常規矩形,其改變了貼片上的電流方向和路徑,進而延長表面電流的有效長度,達到縮小尺寸的目的。步驟一的S參數指標如圖3 中antenna_1曲線所示,叉型設計改善了高頻段的阻抗匹配,但在5 GHz以下回波損耗指標不理想。并且為實現小型化,設計中將天線單元放置得很近,接地板上的表面電流和近場輻射導致天線間存在很強的相互耦合,隔離度在6 GHz以下未達到小于-15 dB 的設計要求。

步驟二,如圖2(b)所示,為達到高隔離度和擴展帶寬的目的,在接地板上刻蝕出I 型槽與圓槽相結合的結構。此結構使天線表面電流分布發生變化,進而使間隔很近的天線單元距離增大,耦合減小,帶寬增大。圖3 中antenna_2 曲線表明天線回波損耗在3.1～11 GHz 范圍內小于-10 dB,隔離度也明顯提升,整體低于-20 dB。

步驟三,如圖2(c)所示,接地板的鉤狀槽和微帶饋線的倒U 型槽分別用來實現工作頻帶內WLAN 和X上行頻段的陷波,微帶饋線側邊的矩形槽則用來優化頻帶內的阻抗匹配。圖3 中antenna_3 曲線表明,饋線側邊的矩形槽使5 GHz 以下頻段的回波損耗得到改善,但陷波結構的引入,導致天線在中高頻段的回波損耗和5.2～6 GHz 的隔離度惡化。

步驟四,如圖2(d)所示,為解決上述問題,在接地板刻蝕對稱的L 型槽和叉型槽,從圖3 的antenna_4曲線可得出,天線在工作頻段內的回波損耗指標良好,覆蓋了3.1～10.6 GHz 的超寬帶頻段,并且隔離度均低于-20 dB,遠小于設計要求-15 dB 的指標。因此,UWB MIMO 天線很好地平衡了小型化與高隔離的關系,相比較前面文獻中提到的天線具有一定優勢。

圖2 天線設計步驟Fig.2 Steps of antenna design

圖3 各步驟天線的S 參數指標對比圖Fig.3 Antenna S parameter comparison diagram of each step

天線的縫隙可為任意形狀,如圓形、矩形等,其尺寸的大小主要對天線的阻抗帶寬有影響,在一定范圍內,縫隙尺寸越大,相應電流路徑就越長,天線會在較低的頻率處產生諧振。圖4 為天線諧振點及相關諧振結構圖,可以發現天線在4.9,6.7 和9.9 GHz 處有明顯諧振,其中前兩個較低頻率的諧振主要是底層漸變切角槽的不同部分在不同的頻率下諧振造成的。相關計算公式為:

式中:LA、LB和L為有效槽長度;c為光速;f為諧振頻率。

使用式(1)～(3)計算得到諧振頻率為5.01 GHz和6.38 GHz,與圖4 中仿真得到的諧振頻率4.9 GHz和6.7 GHz 接近。

9.9GHz 處的諧振是由于天線頂層的叉形微帶輻射貼片造成的,其諧振頻率可由以下公式計算得出:

式中:Leff為叉形貼片實際輻射長度;εe為有效介電常數;εr為相對介電常數;L0為叉形貼片長度;ΔL為等效輻射縫隙長度;w為叉形貼片寬度;h為介質板厚度。

通過上述公式計算數值得出諧振頻率為9.4 GHz,接近于圖4 中仿真的9.9 GHz 諧振頻率。由此UWB MIMO 天線的結構與其產生的諧振得到驗證。

圖4 天線諧振點及相關諧振結構Fig.4 Antenna resonant points and related resonant structures

天線的陷波特性是通過在接地板刻蝕的鉤狀槽以及在叉型微帶線上刻蝕倒U 型槽來實現的。原理是開槽相當于在天線中引入半波長諧振器,因此槽的長度L與陷波頻率f之間的關系滿足以下計算公式:

其中,槽的長度L在天線中具體指鉤狀槽和倒U型槽的總長度LC和LD,相關計算公式為:

2 仿真和實測參數指標分析

2.1 S 參數及電流分布分析

圖5(a)和(b)分別為參數L4和L16在不同尺寸時的回波損耗S11指標。其尺寸大小主要對頻帶內的陷波產生影響,參數L4和L16尺寸的增加會使陷波逐漸向低頻移動,原因是尺寸增加會加大等效電流路徑長度,從而使諧振頻率向低頻移動。當L4=3.92 mm,L16=5.2 mm 時,天線產生覆蓋WLAN 和X 上行頻段的陷波,且陷波獨立性高,對一個陷波結構進行參數優化時不會對另一個陷波指標產生很大影響。

圖5 天線陷波結構的參數優化Fig.5 Parameter optimization of the antenna notch structure

圖6(a)～(d)繪制了天線隔離度的參數優化曲線。由圖可以發現參數L11和圓槽半徑R主要用來調節5 GHz 以下的隔離度,特別是參數L11對隔離度的優化明顯。而叉型槽的參數W5和L 型槽的參數L7對工作頻段內的隔離度均有影響,其中參數W5對4 GHz 以上的隔離度影響顯著,原因是這些結構改變了貼片表面電流方向,相當于延長單元間的距離,進而影響耦合。經HFSS 仿真軟件對尺寸優化,當L11=7.4 mm,R=2 mm,W5=7 mm,L7=4.5 mm 時,隔離度在整個頻段內小于-20 dB,最低達到-32 dB。

圖6 天線隔離度的相關參數優化Fig.6 Optimization of relative parameters of antenna isolation

通過對天線各參數進一步仿真優化,最終確定天線的結構尺寸,詳細數值見表1,加工的實物如圖7 所示。

圖7 天線實物加工圖Fig.7 Physical processing drawing of the antenna

表1 天線結構的尺寸Tab.1 The dimensions of the antenna structure mm

圖8 為天線的回波損耗S11仿真與實測指標圖。實物測試表明,天線分別在5～6.1 GHz 和7.9～8.9 GHz頻段上產生陷波,與仿真曲線中5.1～5.84 GHz 和7.6～8.69 GHz 的陷波頻段大體一致,很好地覆蓋了WLAN(5.15～5.825 GHz)和X 上行頻段(7.9～8.4 GHz)。由于加工材料以及焊接過程中不可避免地產生誤差,天線在高頻段的回波損耗比仿真指標差,但仍在-10 dB 以下,符合設計要求,回波損耗最低值達到-25 dB 左右。實測天線在3.1～11.2 GHz 頻帶內具有良好的阻抗帶寬,略優于仿真的3.1～11 GHz,滿足超寬帶天線要求。圖9 繪制了天線的隔離度S21仿真與實測指標圖。實測表明,天線在整個頻段內隔離效果優良,隔離度S21低于-20 dB,其中在5～8 GHz 上的隔離度比仿真結果更好,最低值達到-45 dB。

圖8 MIMO 天線S11仿真與實測值對比圖Fig.8 Comparison between simulated and measured S11 of the MIMO antenna

圖9 MIMO 天線S21仿真與實測值對比圖Fig.9 Comparison between simulated and measured S21 of the MIMO antenna

圖10 為天線在5.5 GHz 和8 GHz 的表面電流分布圖。由于天線的結構關于中軸線對稱,所以只對一個端口進行研究即可,此處對天線左端口激勵,右端口加匹配負載,圖10(a)表明天線在5.5 GHz 的表面電流主要聚集在鉤狀槽周圍,阻抗失配,產生較大的反射系數,無法輻射,因而形成濾除WLAN 頻段干擾的陷波。同樣由圖10(b)可以看出,天線在8 GHz 的電流主要集中在饋線的倒U 型槽周圍,可以有效解決X上行頻段的干擾。除此之外,從電流分布可以看出,隔離結構的添加導致耦合到右側天線單元上的電流很少,大部分耦合電流被隔離結構阻隔,從而改變電流流動方向,有效增加了天線單元間的隔離度。

圖10 天線電流分布圖Fig.10 Current distribution of the antenna

2.2 天線輻射特性分析

圖11 繪制了天線在3.4,6.2 和9 GHz 時關于E面和H 面的仿真及實測歸一化遠場輻射圖。因為天線結構對稱,所以兩個天線單元的方向圖大致相同,當天線左端口被激勵,右端口加匹配負載時,由圖11 可以看出:天線在3.4 GHz 和9 GHz 時方向圖的E 面和H 面均大體呈現出圓形形狀;在6.2 GHz 時,E 面方向圖呈現出類似于單極子天線的“8” 字形,H 面依然具有全向輻射特性。由于暗室測量環境及誤差,導致在實測時的方向圖有所收縮或凹陷,但方向圖大體仍具有全向性,天線在工作頻段內具有較好的輻射性能,適合發送或接收各個方向的信號。

圖11 天線輻射方向圖Fig.11 Radiation pattern of the antenna

圖12 為天線的峰值增益與頻率關系圖。由圖可知,除陷波頻段外,天線增益維持在1～4 dB 之間,增益穩定。增益在兩陷波頻段處驟然下降,最低值在-5 dB 左右,表明在此頻段天線無法正常輻射,進而避免了WLAN 和X 上行頻段的干擾。

圖12 天線增益與頻率關系曲線圖Fig.12 Gain and frequency relation curve of antenna

2.3 包絡相關系數(ECC)分析

為進一步分析MIMO 天線的分集特性,接下來對天線包絡相關系數(ECC)進行研究,包絡相關系數描述了天線單元對信號接收的獨立程度,數值應盡可能低,其值可以由仿真和測量的S參數代入公式(11)計算得到:

式中:為S11的共軛值;為S21的共軛值。

利用公式(11)計算可得天線包絡相關系數ECC 指標如圖13 所示。由圖13 可以看出,天線的ECC 低于0.01,遠小于指標要求的0.5,表明各天線單元之間具有良好的獨立性。

圖13 天線包絡相關系數ECC 指標圖Fig.13 Envelope correlation coefficient index diagram of antenna

表2 為本文設計的天線與近幾年已發表文獻的MIMO 天線性能參數對比,主要從尺寸、帶寬、阻帶、隔離度、ECC 方面進行對比。從對比結果可以看出,本文設計的天線很好地平衡了小型化尺寸與高隔離度的關系,且具有較寬帶寬、雙陷波以及包絡相關系數小的優點。

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

3 結論

本文設計了一種小型化雙陷波UWB MIMO 縫隙天線。天線采用總尺寸為24 mm×24 mm×0.8 mm 的FR4 介質基板制備,并以兩個叉型微帶饋電的縫隙天線單元作為MIMO 天線設計的基礎,通過在接地板刻蝕出叉型槽、對稱L 型槽以及I 型槽與圓槽相結合的結構來增加系統隔離和優化匹配帶寬;同時,接地板上鉤狀槽和饋線上倒U 型槽的引入,實現了覆蓋WLAN 和X 波段上行頻段的陷波。結果表明,天線帶寬為3.1～11.2 GHz,其中5～6.1 GHz 和7.9～8.9 GHz 為陷波頻段,其他頻段阻抗匹配良好;整個頻段內的隔離度均低于-20 dB,增益平坦,包絡相關系數ECC 小于0.01。該天線兼顧了小型化和高隔離的特點,輻射增益穩定,適用于小型化超寬帶多輸入多輸出系統應用。