一種基于寄生單元結(jié)構(gòu)的高隔離度MIMO天線

王再躍，汪建安，安凱，潘旭

（合肥聯(lián)寶信息技術(shù)有限公司，安徽合肥， 230000）

0 引言

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對通信終端設(shè)備的要求越來越高，特別是對于終端數(shù)據(jù)的傳輸速率、信道質(zhì)量、信道容量等需求越來越大[1]。無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network, WLAN）作為當(dāng)下應(yīng)用最為廣泛的通信技術(shù)，其已經(jīng)完全融入人們的生活中。為了適應(yīng)大量的應(yīng)用需要，新增5.925~7.125GHz的Wi-Fi 6E頻段來進(jìn)一步拓寬頻譜范圍。與WiFi 5相比，Wi-Fi 6E能夠更好地為大量WiFi終端提供服務(wù)，特別是在多用戶的市中心，體育場，商場，機(jī)場等密集環(huán)境中。而天線作為無線電波發(fā)射和接收的核心部分，多輸入多輸出（Multiple-input Multiple-output，MIMO）天線技術(shù)也已被越來越廣泛地應(yīng)用在當(dāng)前的WLAN天線系統(tǒng)[2~3]。MIMO技術(shù)相對于傳統(tǒng)無線通信技術(shù)有著明顯優(yōu)勢，首先它能夠充分利用空間資源，利用分集技術(shù)實(shí)現(xiàn)多天線的收發(fā)，繼而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的有效提升。其次，傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)中由于多徑效應(yīng)信號衰落更為嚴(yán)重，導(dǎo)致信號失真和誤碼，而MIMO系統(tǒng)能夠通過多天線帶來的多徑空間分集增益，明顯抑制信號衰落，降低誤碼率，提高通信質(zhì)量。此外，MIMO技術(shù)還能夠大幅提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率、擴(kuò)大系統(tǒng)信號的覆蓋范圍[4]。特別地，當(dāng)前筆記本電腦設(shè)計專注于外觀的新穎化、小型化以及功能的多樣性。一方面筆記本電腦的天線空間環(huán)境受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，另一方面，新時期筆記本電腦對其天線的小型化、寬頻帶、高性能等要求也越來越高。因此，研究應(yīng)用于筆記本電腦的MIMO天線設(shè)計仍具有十分重要的意義。

目前，基于MIMO技術(shù)的WLAN天線在小型化、寬頻帶等研究領(lǐng)域已經(jīng)吸引了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。例如，一些學(xué)者利用曲流技術(shù)、彎折技術(shù)實(shí)現(xiàn)天線的小型化[5-6]；也有一些研究人員通過輻射貼片加載縫隙結(jié)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)寬頻帶雙頻天線[7]。但是，上述MIMO天線系統(tǒng)一般都需要保證天線單元之間具有較低的耦合性[8]，所以，MIMO天線的設(shè)計關(guān)鍵點(diǎn)之一是如何提高天線單元之間的隔離度。已知地板縫隙結(jié)構(gòu)利用抑制表面波帶來的互耦可以改善MIMO單元天線之間的隔離度[9]，不過針對筆記本電腦WLAN天線的大多數(shù)PCB方案中筆記本天線的參考地設(shè)計一般都需要保持設(shè)計完整性。所以，通過地板縫隙結(jié)構(gòu)來優(yōu)化筆記本電腦MIMO天線隔離度性能的設(shè)計往往較少；其次，內(nèi)置解耦網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法因需要根據(jù)MIMO天線頻段數(shù)去設(shè)計多頻段的去耦網(wǎng)絡(luò)，通常這種去耦結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜度較高[10]，目前在筆記本電腦MIMO天線中的實(shí)際應(yīng)用較少；此外，通過在筆記本電腦MIMO單元天線之間增加中和線的方法需要將MIMO單元天線的本體進(jìn)行連接，這種方法也存在著帶寬較窄、復(fù)雜度大等痛點(diǎn)，當(dāng)前在多頻寬帶的筆記本電腦MIMO天線上的也很少應(yīng)用[11]。

針對以上問題，本文首先設(shè)計了一種適用于筆記本電腦WLAN的2.4GHz、5GHz、WiFi-6E多頻寬帶的雙單元MIMO天線。通過在傳統(tǒng)的筆記本電腦MIMO天線單元之間新增兩個地板寄生單元結(jié)構(gòu)，利用寄生單元結(jié)構(gòu)的兩個相位相反電流的抵消有效地削弱了MIMO單元天線間的耦合，提高了MIMO單元天線在低頻和中高頻的端口隔離度。通過對上述筆記本電腦MIMO天線進(jìn)行仿真和實(shí)際測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文提出的筆記本電腦MIMO天線在2.4~2.484GHz、5.15~5.35GHz、5.725~5.875GHz以及5.925~7.125GHz頻段內(nèi)回波損耗良好，筆記本電腦MIMO單元天線的隔離度小于-22dB。同時，天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，加工成本低，對后續(xù)筆記本電腦MIMO天線設(shè)計具有一定的參考價值。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

筆記本電腦MIMO天線的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該MIMO天線采用相對介電常數(shù)為εr=4.3，損耗角正切為0.025的FR-4介質(zhì)基板，基板厚度為0.4mm，介質(zhì)基板的整體尺寸為90mm×10mm×0.4mm。根據(jù)天線設(shè)計原理，天線尺寸與天線諧振頻率的關(guān)系如下面（1）式所示：

圖1 天線整體結(jié)構(gòu)圖

其中，f0為天線的諧振頻率，c為真空中光的傳播速度，L為天線輻射體的長度，W為天線輻射體的寬度；為了實(shí)現(xiàn)筆記本電腦MIMO單元天線的小型化，本文提出的MIMO單元天線均采用彎折型的PIFA天線形式，MIMO單元天線尺寸均為30mm×8.6mm。

通過采用基于時域有限積分法的電磁仿真軟件CST對筆記本電腦MIMO天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化仿真，最終得到的基于寄生單元結(jié)構(gòu)的筆記本電腦MIMO天線結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 天線結(jié)構(gòu)尺寸 單位：mm

2 天線性能分析

筆記本電腦MIMO天線的設(shè)計過程如圖2所示，本文主要通過在傳統(tǒng)的筆記本電腦MIMO天線單元之間增加兩個地板彎折型寄生單元結(jié)構(gòu)，利用寄生單元結(jié)構(gòu)的兩個相位相反電流的抵消來有效削弱MIMO單元天線間的耦合，從而實(shí)現(xiàn)單元天線端口間的較高隔離度。

圖2 MIMO天線設(shè)計過程

圖3和圖4分別給出了帶有寄生單元結(jié)構(gòu)筆記本電腦MIMO天線的S參數(shù)曲線和筆記本電腦MIMO天線有無寄生單元結(jié)構(gòu)的S21隔離度對比曲線。由圖可知，加入寄生單元結(jié)構(gòu)后，在2.4~2.5GHz頻段內(nèi)，S21由整體頻段內(nèi)小于-16dB變?yōu)樾∮?22dB，在5.15~5.35GHz、5.725~5.875GHz以 及5.925~7.125GHz頻 段 內(nèi)，S21由整體頻段內(nèi)小于-26dB變?yōu)樾∮?27.6dB。特別的，針對2.4GHz的低頻段，帶有寄生單元結(jié)構(gòu)的筆記本電腦MIMO天線隔離度得到了明顯改善。同時，筆記本電腦MIMO天線諧振頻率整體向低頻偏移，易于實(shí)現(xiàn)筆記本電腦MIMO天線的小型化。

圖3 帶有寄生單元結(jié)構(gòu)天線的S參數(shù)

圖4 有無寄生單元結(jié)構(gòu)的隔離度對比

為了對筆記本電腦MIMO天線的輻射機(jī)理和寄生單元結(jié)構(gòu)的隔離有效性，特別地，我們對筆記本電腦MIMO天線在2.45GHz和5.5GHz時的表面電流分布圖進(jìn)行了仿真分析。圖5和圖6分別給出了筆記本電腦MIMO天線在2.45GHz和5.5GHz有無寄生單元結(jié)構(gòu)的表面電流分布對比。如圖5(a)所示，在未添加寄生單元結(jié)構(gòu)時，在MIMO天線單元Port1為激勵端口，非激勵端口Port2處存在著較強(qiáng)的耦合電流；同理，在MIMO天線單元Port2為激勵端口，非激勵端口Port1處也存在著大量的耦合電流。即在未添加寄生單元結(jié)構(gòu)時，筆記本電腦MIMO單元天線之間存在著非常強(qiáng)烈的耦合作用，這將嚴(yán)重影響MIMO天線的隔離度特性。如圖5(b)所示，當(dāng)添加寄生單元結(jié)構(gòu)時，MIMO天線上的耦合電流主要集中于寄生單元結(jié)構(gòu)上，筆記本電腦MIMO單元天線輻射體上的耦合電流明顯減弱，即寄生結(jié)構(gòu)單元改變了MIMO天線輻射體上的電流分布情況，這種寄生結(jié)構(gòu)單元能恰當(dāng)?shù)刈韪魞蓚€單元天線之間的耦合作用，保證了天線的工作性能。同樣地，由圖6所示，在筆記本電腦MIMO單元天線之間增加寄生單元結(jié)構(gòu)可以有效地減弱單元天線之間的耦合作用，改善天線系統(tǒng)的隔離度。

圖5 MIMO天線在2.45GHz時的表面電流分布圖

圖6 MIMO天線在5.5GHz時的表面電流分布圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的筆記本電腦MIMO天線的性能，我們對筆記本電腦MIMO天線進(jìn)行實(shí)物加工并且利用Agilent E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線進(jìn)行測試。具體地，本文提出的筆記本電腦MIMO天線通過同軸線進(jìn)行饋電，同軸線的線徑尺寸為1.13mm，線長約為260mm；其中同軸線的一端作為激勵端口直接焊接在MIMO單元天線的饋電點(diǎn)位置，同軸線的另一端為Ipex接頭。筆記本電腦MIMO天線測試時，通過Ipex接頭轉(zhuǎn)SMA，SMA轉(zhuǎn)N轉(zhuǎn)接頭連接到Agilent E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。圖7和圖8分別是筆記本電腦MIMO天線的加工實(shí)物圖和天線實(shí)測的S參數(shù)曲線圖。由圖可知，筆記本電腦MIMO天線的實(shí)測與仿真S參數(shù)曲線只在高頻部分出現(xiàn)了少量的偏移，其余部分基本與仿真結(jié)果吻合。本文設(shè)計的筆記本電腦MIMO天線在2.4~2.484GHz、5.15~5.35GHz、5.725~5.875GHz以及5.925~7.125GHz頻段內(nèi)回波損耗良好，能夠完全覆蓋WLAN天線的應(yīng)用需要。

圖7 天線加工實(shí)物圖

圖8 天線實(shí)測S參數(shù)曲線圖

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一種用于2.4~2.484GHz, 5.15~5.35GHz,5.725~5.875GHz和5.925~7.125GHz頻段的多頻寬帶筆記本電腦MIMO天線，通過在筆記本電腦MIMO單元天線之間增加彎折型寄生單元結(jié)構(gòu)提高了筆記本MIMO天線在整個應(yīng)用頻段的天線端口隔離度。通過電磁軟件對筆記本電腦MIMO天線進(jìn)行仿真和實(shí)際加工測試，結(jié)果表明：筆記本電腦MIMO天線在2.4GHz、5GHz、WiFi-6E頻段內(nèi)的天線阻抗匹配良好，筆記本電腦MIMO單元天線之間的端口隔離度均小于-22dB，本文提出的筆記本電腦MIMO天線結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，制造成本低，能夠滿足WLAN天線的技術(shù)應(yīng)用要求。