用于WLAN的高隔離度雙頻MIMO天線

張寶軍， 郭 濤， 陳 曦， 蘇展飛

(西安郵電大學 電子工程學院，陜西 西安710121)

0 引 言

隨著無線通信領域發展迅速，人們在享受無線技術帶來的便捷的同時，也對數據傳輸效率、信道帶寬、容量、干擾度等通信指標提出了更高的需求。多輸入多輸出(multiple-input multiple-output，MIMO)技術作為新一代通信領域的關鍵技術之一，其系統具有空間分集、 空間復用和波束賦用等功能, 提高了信號傳輸質量與頻譜利用率，被公認為能夠滿足當前通信需求最有前景的技術之一[1]。同時無線局域網(wireless local area network，WLAN)是目前最常見的無線通信技術，其高性能、安全與便捷性得到了人們的廣泛應用，并深刻地改變了人們的生活[2]。因此，對于研究用于WLAN技術的MIMO天線具有重要意義。

在MIMO系統中為了獲得良好的性能，在發射端與接收端的天線應避免相關性，即天線單元間應具有低耦合性[3]。因此，研究MIMO天線的重點之一應是如何降低緊湊天線單元間的耦合性，提高隔離度。近幾年來，已有許多方法被用于提高天線隔離度。例如地板縫隙結構[4～6]通過抑制地板表面波帶來的互耦提高了天線隔離度，其結構簡單易制作，滿足天線的小型化設計要求，具有適用性；內置解耦網絡[7]也可用于降低天線單元間耦合度，但其需根據天線頻段數設置多頻去耦網絡，這種結構設計復雜，難以加工，不利于控制天線加工成本；寄生單元結構[8,9]利用相位相反電流的抵消作用減小天線間的耦合程度，其適用性強，去耦效果較好，且制作成本低；地板枝節結構[10]與寄生單元結構原理相同，但其能夠產生額外的耦合路徑，進一步降低天線間的互耦作用；EBG結構[11]是一種循環排列結構，其在一定頻帶內具有帶阻特性，能夠有效抑制地板上電流從激勵端流向非激勵端，從而提高天線的隔離度，但其結構復雜，難以應用于小型化天線的設計；中和線解耦技術[12,13]通過在合適的位置引入一條金屬微帶線將兩天線連接起來，在天線單元間引入與激勵天線產生的耦合電流幅度相等，相位相反的電流，達到去耦的效果，其不會增加天線原有的尺寸，且結構簡易，占地面積小。

同時，具有多頻段、寬頻帶、小型化及高增益的天線廣泛應用于WLAN頻段。針對當前WLAN天線的普遍適用性與MIMO天線高隔離度的設計趨勢，以及現有設計中存在的不足，本文設計了一種以FR4為基板的雙頻MIMO天線，工作頻段覆蓋WLAN 2.4 GHz和5 GHz兩個工作頻段，添加的Y型枝節與L型地板縫隙在低頻段與高頻段分別提高了天線的隔離度。對于常規MIMO天線，要求隔離度至少高于15 dB，所設計MIMO天線在工作頻帶內隔離度大于22 dB，擁有優異的去耦性能，且天線同時具有結構緊湊，阻抗匹配，全向輻射性能較好等特點。

1 天線結構設計

1.1 天線整體

本文所設計的天線如圖1所示，該天線采用FR4為介質基板，基板厚度為0.8 mm,相對介電常數為4.4，損耗正切角為0.02。天線單元采用微帶線饋電，整體天線尺寸為50 mm×26 mm。介質基板的正面部分為直接印刷在介質板上的L型單極子天線，其背面部分為金屬地板。其中，長L型輻射枝節直接與地板相連，兩天線單元間通過對稱的形式進行進行擺放，且在天線單元間加載了一個Y型枝節與L型地板縫隙結構。

圖1 天線整體結構示意

1.2 MIMO天線設計過程

根據天線波長的計算公式

λ0=c/f

(1)

λg=λ0/εr

(2)

λ=λg/4

(3)

式中λ0為真空中對應波長；c為光在真空中的速度;f為天線頻率；λg為介質中對應波長；εr為介質板相對介電常數；λ為介質中單極子天線對應波長。根據上述式(1)～式(3)即可算得在介質板中L型單極子天線諧振的初始長度，以此實現WLAN 5 GHz頻段的諧振。通過在介質基板背面部分的金屬地板上加載L型輻射枝節，通過耦合饋電的方式實現WLAN 2.4 GHz頻段的諧振，使其具有雙頻特性。

為了提高天線的隔離度，在介質基板的背板部分添加了Y型枝節，用于產生額外的耦合路徑。其激勵端天線單元對Y型枝節和非激勵端天線產生耦合作用，同時Y型枝節以及非激勵端天線單元對激勵端天線也產生耦合作用。通過這種相互作用的抵消，提高了天線的隔離度。

在Y型枝節的下方進行了地板開L型縫隙，通過L型縫隙改變地板傳輸線的電流分布，抑制了地板表面波帶來的互耦，從而進一步提高天線隔離度。解耦部分呈對稱分布，同時在地板與L型輻射枝節連接處兩端添加了L型地板槽，槽的加載改變了天線的電流流動路徑，以此來獲得更好的阻抗匹配。MIMO天線設計過程如圖2所示。

圖2 MIMO天線設計過程

圖3展示了有無隔離結構的S21仿真對比圖。從圖中可以看出，加入了去耦結構后，在2.37～2.5 GHz頻段處，S21由整體頻段內大于-22 dB變為了小于-30.5 dB，在4.93～6.09 GHz頻段處，S21由整體頻段內大于-20 dB變為了小于-22 dB。由此可見，具有隔離結構的天線隔離度改善顯著，表明了Y型枝節和與其相鄰的L型地板縫隙兩種去耦結構的去耦作用，具有該去耦結構的天線可以滿足設計要求。

圖3 有無隔離結構的隔離度對比

為了進一步驗證隔離結構的有效性，給出天線在2.4 GHz與5.5 GHz頻率處天線工作時有無去耦結構的電流分布圖對比。如圖4所示，其中左端口為激勵端口。在未添加去耦結構時，非激勵端天線單元存在著大量耦合電流，天線單元間存在著十分強烈的耦合，嚴重影響天線的工作狀態。雖然L型輻射枝節的存在對L型單極子的表面電流有一定的削弱作用，但效果不明顯。當添加去耦結構后，耦合電流主要集中于Y型枝節，非激勵端天線單元表面電流減弱明顯。同時L型地板縫隙的出現改變了之前激勵端天線的表面電流分布，使得耦合電流主要集中于Y型枝節與L型地板縫隙附近，進一步減弱了非激勵端天線的表面電流。兩種解耦結構的存在提高了天線單元間的隔離度，保證了天線工作的性能。

圖4 有無隔離結構時天線電流分布

2 參數分析與優化

為使所設計MIMO天線性能達到最佳狀態，本文在天線設計過程中通過ANSOFT HFSS 13.0對天線結構及參數進行了仿真優化分析。優化過程中采用對一個參數優化，其余參數保持不變的方式，優化結果如圖5所示。

從圖5(a)，(b)可以看出，參數L1，L7主要對天線的諧振頻率產生了影響，當L1增加時，低頻處的諧振頻率變化不明顯，高頻處諧振頻率隨L1的增加而逐漸左移。當L7增加時，高頻處的諧振頻率無明顯變化，低頻處的諧振頻率隨L7長度增加而逐漸左移，且高頻處天線的S11隨L7長度的減小而減小，說明L7的減小可以改善天線在高頻處的阻抗匹配。

Y型枝節主要作用為去耦作用，因此，對于Y型枝節的參數分析與優化也尤為重要。在Y型枝節中，LY1為Y型枝節中心與其枝節一邊中點連線所構成直角三角形的直角邊長，LY2為另其一直角邊長，LY3為Y型枝節中心與地板金屬之間的距離。通過改變LY2與LY1的長度來改變Y型枝節的角度與長度，以此用來分析Y型枝節對天線S參數的影響。以LY2為例，如圖5(c)，當LY2改變時，天線的高頻諧振頻率與低頻諧振頻率均未受明顯影響，但高低頻處的S11值隨著LY2的增加而先降低后又增加，從曲線圖中可以判斷，Y型去耦結構并未對天線的諧振頻段造成明顯改變。由圖5(d)可得，隨著LY2的增大，天線的S21值在低頻處先變小后變大，在高頻處逐漸變大，說明天線隨著LY2值的改變其隔離性能得到了改善，尤其在低頻處改善較明顯。

圖5(e)，(f)為L型地板縫隙長度L8對天線S參數的影響，從圖5(e)可以看出，隨著L8的變化，天線的高低頻諧振點與S11均未發生明顯變化，說明L型地板縫隙去耦結構的加入對天線的諧振點與阻抗匹配影響較小。在圖5(f)中，隨著L8的增加，天線工作頻段內S21先減小后增大，整體呈減小趨勢，說明其對天線的隔離性能起到改善作用，且在天線的高頻段部分改善較為明顯。

圖5 天線參數優化曲線

通過對其他參數的仿真結果優化，天線的最終參數尺寸如表1所示，其單位為mm。

表1 天線尺寸 mm

圖6為經過參數優化后天線的S參數隨著頻率變化曲線圖。從圖中可以看出，當S11≤-10 dB時，天線的工作帶寬分別為0.13 GHz(2.37～2.5 GHz)與1.16 GHz(4.93～6.09 GHz)，相對帶寬分別為5.3 %和21.1 %。所設計MIMO天線工作頻段覆蓋了IEEE 802.11 b/g/n頻帶(2.4～2.48 GHz)及IEEE 802.16頻帶(5.15～5.85 GHz)，滿足WLAN工作要求。在其工作頻帶范圍內，隔離度均在22 dB以上，最高可達50 dB，整體隔離特性較好。

圖6 MIMO天線S參數

3 結果分析

3.1 輻射方向圖

圖7(a)～(c)給出了天線在2.4，5.3，5.8 GHz頻率的二維輻射方向圖，每個圖中包含了E面與H面。從圖7(a)中可以看出，天線在2.4 GHz處H面整體增益均在1 dBi以上，且E面與H面都具有趨于全向輻射的輻射方向圖，有利于天線單元接收或發射各個方向的電磁信號。由圖7(b)可以看出，在5.3 GHz處仿真計算的峰值增益為7.9 dBi，雖在個別方向效果有所惡化，但總體方向性仍屬可接受狀態。圖7(c)中天線在5.8 GHz頻率下整體方向性良好，其峰值增益為7.4 dBi。總體來說，天線在各個頻點輻射分布較良好，效率較高，所設計MIMO天線適合當前的便攜式無線路由器。

圖7 天線二維輻射方向圖

3.2 包絡相關系數曲線圖

包絡相關系數(envelope correlation coefficient，ECC)是用來衡量天線分集性能的參數，是用來確保MIMO通信中信道相關性的關鍵。在具有收發兩端的多天線構成信道中，信道間可能是相關，也有可能是不相關的，信道間的相關性優劣嚴重影響著MIMO天線在系統性能的好壞。ECC值越低說明MIMO系統信道間的相關性越低，系統分集性能越好。在各向同性的傳播環境中，包絡相關系數通常利用S參數或輻射方向圖計算，但輻射方向圖的計算方式較為復雜，因此采用最常用的S參數來計算其值。其公式為

(4)

圖8為通過式(4)計算所得的ECC曲線，從圖中可以看出，所設計的MIMO天線在其工作頻段內ECC值均遠小于0.01，說明所設計天線具有很好的分集增益。由于引入了解耦結構，提高了天線各工作頻段尤其是低頻段的隔離度，得到了很好的分集性能。

圖8 天線ECC曲線

3.3 天線增益曲線圖

圖9為天線在某空間定點處仿真計算所得的增益隨頻率變化圖。從圖中可以看出，天線在其工作頻段內增益分別為2.62～2.73dBi(2.37～2.5GHz)與4.18～6.41dBi(4.93～6.09GHz)，天線輻射性能較好。

圖9 天線增益曲線

為了更好地體現本文所設計MIMO天線的性能，選取近幾年來參考文獻中的天線進行比對。分別從天線尺寸、有效帶寬、工作頻段、隔離度等幾個方面進行比較，如表2所示。從表中可以看出，設計的天線能夠在結構小且緊湊的空間內分別在低頻與高頻工作段內實現較高的隔離度，其阻抗匹配特性以及輻射特性良好，天線整體性能較好。

表2 天線性能參數對比

4 結 論

本文設計了用于WLAN頻段的雙頻MIMO天線。通過L型單極子天線與介質背板長L型輻射枝節的耦合饋電實現了天線雙頻特性，通過加載Y型枝節與L型地板縫隙兩種去耦結構分別提高了天線在低頻與高頻處的隔離度。仿真結果表明：原天線在工作頻段內隔離度小于20 dB，再加入去耦結構后獲得了高于22 dB的高隔離度，最高可達50 dB左右，隔離性能較好，且天線結構緊湊尺寸小，其工作頻段能夠完全覆蓋WLAN 2.4 GHz與5 GHz工作頻段，阻抗匹配及全向輻射特性良好，分集增益較高，其在WLAN應用中具有廣泛前景。