探索基于角度分集的機載超寬帶MIMO天線設計

李雪

摘要：隨著飛機通信技術水平的不斷提高，飛機機載通信設備的信道容量與天線安裝空間逐漸不足，為了解決這一問題，本文提出一種基于角度分集的機載超寬帶MIMO天線設計，該天線在不使用解耦結構的情況下，就可以獲得較高的端口隔離度，這極大的提升了數據傳輸的效率。鑒于此，本文首先對MIMO天線結構進行分析，然后對天線進行具體設計，最后對設計天線進行實際測量，驗證該天線的有效性。

關鍵詞：角度分集;機載超寬帶;MIMO天線;

1. MIMO天線結構

圖1就是本文設計的MIMO天線結構設計圖，與傳統天線相比，該天線的整體尺寸降低為36mm*36mm*0.8mm，其介質采用FR4板材，介電指數為4.4。WS表示Vivaldi天線的饋電，將其端口定義為1;Wf表示超寬帶槽天線，將其端口定義為2;L表示天線的長度;W表示天線的寬度。

本文所設計的天線主要由漸變槽線與微帶槽線構成。當天線饋電后，電流將會微帶槽線進行轉化，并將電磁波能量傳遞給槽線傳輸線，同時由于槽線的傳輸能力較弱，這會導致饋入的電磁波被束縛在槽線之中，最終傳輸至漸變槽中。由于漸變槽線的寬度可以進行增加，所以，電磁波方向上的槽線會減弱磁場的束縛力，漸變槽線輻射會逐漸增強。當輻射強度達到工作頻率的一半波長時，傳輸的電磁波會產生諧振，并沿著天線開槽方向發生偏移。此外，不同工作頻率所產生的電磁波，所受到的槽線輻射也會存在著一定的不同。

本文在Vivaldi天線左右兩側的輻射臂上進行開槽，這一方面能夠延長邊緣的電長度，同時對外沿的電流以及阻抗特性進行改變，使天線的低頻段向內發生偏移，增加天線的帶寬，為天線小型化提供技術支持。另一方面在輻射壁上開槽，也在一定程度上減弱輻射臂的電路，并提高天線定向輻射的能量。本文以Vivaldi天線作為基礎，并在天線的開槽處安裝金屬貼片，形成集成槽提高天線的空間利用率。與傳統的槽天線相比，本文設計的輻射壁長度更大，并形成曲線結構，具有小型化的技術優勢，由于本文設計天線為非閉合結構，同時金屬貼片在天線的左側，這會將天線的輻射方向集中到天線的右側。

2 MIMO天線的具體設計

2.1天線具體設計流程

圖2是本文具體設計的天線流程，這一設計是在圖2（a）Vivaldi天線的基礎上進行設計的。將圖2（a）中對稱的輻射壁中開出兩個左右對稱的長方形槽，從而形成圖2（b）;最后在右側的方形槽中，安裝上長方形貼片，最后形成本文所設計的超寬帶MIMO天線。由于在輻射臂上進行開槽，這將改變原本的電流路徑，增加外邊電流經過的路徑，從而改善低頻段的阻抗性，使天線低頻段向邊緣的方向發生偏移。

從圖2中也可以清晰的看出，圖2（b）的天線相比于天線1更加小型化。通過對圖2中三種天線的參數曲線進行研究，可以發現，圖2（b）與圖2（a）相比，由于在兩側進行可開槽，其原有的工作頻率發生改變，向低頻段發生移動，這種展寬大約能夠達到1GHz。圖2（c）天線由于添加金屬貼片，相比于圖2（a）天線，其工作帶寬進一步發生偏移并逐漸向低頻段靠近，其展寬大約能夠達到0.5HGz。與此同時，該天線的高頻帶寬也有所增長，其阻抗帶寬區間為2.7～15.4GHz。本文所設計的超寬帶槽天線阻抗帶寬區間為1.8～12.7HGz，最小工作頻率與同尺寸大小的天線相比，也是最小的。此外，本文所設計的天線端口隔離數也是整個工作帶最小的。

2.2天線參數設計

MIMO天線與Vivaldi天線的參數值與天線的開槽深度有著一定的影響。正常情況下，開槽深度對Vivaldi天線反射系數的影響較小，二者之間的變化幅度相對平穩，當開槽深度開始增加時，Vivaldi天線的工作頻率開始向低頻偏移。但是開槽深度對MIMO天線的反射系數影響較大，影響的波動也較大，這是由于隨著開槽深度的增加，使金屬貼片與Vivaldi輻射貼片之間的距離增加了，二者之間的耦合關系也發生改變，并增加了輸入阻抗。二者之間的距離越大，對低頻處基本沒有太大的影響，但是在高頻處這種影響一開始出現增加，當達到臨界值時這種影響開始減小。此外，MIMO天線與Vivaldi天線的參數隨著開槽內貼片的長度變化而發生變化，當貼片長度增加時，對Vivaldi天線的影響較小，反而對MIMO天線的影響較大。因此，當天線的長度增加時，天線的工作頻率會逐漸向低頻偏移。

3天線實際的測量結果

本文通過HFSS軟件設計的寬帶MIMO天線進行優化與測試，為了證明本文所設計MIMO天線的實際應用價值與可靠性，依據優化后天線的實際尺寸，采用矢量網絡分析儀器與微波仿真室對設計天線的實物進行測量。從整體上看天線的尺寸非常緊湊。本文將測量后的數值與仿真后的數據進行了對比。通過對天線實際測量后得出天線的阻抗帶寬為2.8～15.9GHz.er，實際測量的數值為1.8～12.7GHz，基本上與仿真后的數據保持一致。此外，值得注意的是在3HGz時，天線的實際測量結果略大于仿真結果，而在其他頻率則小于仿真結果，天線端口的隔離程度情況良好。從整體上來看，本文設計的天線的測試結果與仿真結果基本一致。其差距也主要源于天線的加工誤差導致的，同時不同的介質、不同的焊接精度都會對天線的實際使用性能造成影響。

4結語

本文采用角度分集技術對機載超寬帶MIMO天線進行了設計，對傳統的Vivaldi天線進行了改進，使得天線長度進一步縮短，同時這種天線的設計也更加簡單，不在需要復雜的解耦結構，端口的隔離度也較高。該天線與傳統單天線相比，其工作的頻段更低，并逐漸向小型化的方向發展。

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