具有阻帶特性的超寬帶MIMO天線設計

李若萌,杜成珠,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 200000)

0 引言

超寬帶(UWB)天線的結構簡單,工作范圍寬,被廣泛應用于雷達和通信等領域,其具有高容量、低功耗等特性[1]。美國聯邦通信委員會(FCC)正式提出將3.1～10.6 GHz頻段應用于民用超寬帶通信后,超寬帶天線便成為國內外學者的重點研究內容[2]。近年來,多輸入多輸出(MIMO)技術成為通信技術發展的核心內容之一。將超寬帶和MIMO技術相結合,可使通信系統在發射功率一定的情況下,實現遠距離穩定且高效的信息傳輸,提高了通信系統的準確性。MIMO天線由多個天線單元構成,若天線單元間距離過近或無隔離結構,則會產生耦合,將嚴重降低天線收發信號的性能。隨著無線通信系統的發展,對于天線的小型化、便攜性也提出了更高要求,如何在有限尺寸范圍內提高天線單元隔離度,改善天線性能,是目前MIMO技術領域的重要研究內容。國內外學者們提出了多種去耦方法[3],包括分集技術、添加枝節法以及添加缺陷地結構(DGS)等。文獻[4-7]通過將天線單元正交放置,獲得極化分集,實現去耦;文獻[8]通過引入T形枝節、文獻[9]通過引入尖峰形寄生枝節,提高了天線的隔離度;文獻[10]通過采用缺陷地結構以降低天線單元間的耦合。

超寬帶通信頻段內存在很多窄帶信號,包括WiMAX(3.3～3.6 GHz),WLAN無線局域網(5.150～5.825 GHz)等。盡管超寬帶MIMO天線憑借其優越性能而被廣泛應用于無線通訊系統的傳輸中,但上述窄帶通信系統同時工作時會產生干擾,降低了天線的性能[11],而阻帶天線可以解決此問題。目前阻帶技術主要包括開槽和加載寄生單元[12]。文獻[13]通過引入T形短截線和U形寄生枝節實現雙阻帶特性;文獻[14-16]通過開槽實現阻帶特性。目前超寬帶MIMO天線隔離度較低,結構復雜,不易于加工,因此,研究具有阻帶特性與高隔離度的超寬帶MIMO天線具有重要意義。

另外,饋電方式也會影響天線性能。與同軸饋電和微帶線饋電方式相比,共面波導饋電(CPW)具有更好的傳輸特性,在集成電路中應用更廣泛。

本文設計了一種基于CPW的高隔離度二阻帶超寬帶MIMO槽天線,它由兩個正交放置的天線單元組成,輻射貼片是矩形與半圓形相結合的漸變形結構。在輻射貼片處刻蝕C形槽,以及在輻射貼片背部加載開口諧振環(SRR)可實現雙阻帶特性。在接地板45°軸線處引入柵欄形枝節,提高了天線的隔離度。天線工作帶寬為3.00～10.66 GHz,在5.11～5.96 GHz和6.82～7.86 GHz處具有阻帶特性,可以避免WLAN和X波段的干擾,端口隔離度S21均小于-27 dB。

1 天線結構設計

圖1為天線結構示意圖,天線采用FR4為介質基板,介電常數4.4,厚度為0.8 mm。天線整體尺寸為49 mm×49 mm×0.8 mm,其余結構尺寸參數如表1所示。

表1 天線尺寸 單位:mm

圖1 天線結構示意圖

天線的設計過程如圖2所示。首先將兩個天線單元正交放置,其中輻射貼片由矩形和半圓形拼接構成,采用共面波導饋電。輻射單元內為環狀縫隙,電流的有效路徑變長,進而可實現更寬的工作帶寬。通過在接地板對角線處引入柵欄形隔離枝節來提高隔離度,此隔離結構由3條平行的長枝節與5條短枝節垂直放置組成。在天線1的輻射貼片上刻蝕C形槽,改變其位置和長度,得到天線2,由此可屏蔽窄帶通信頻段WLAN的干擾。C形槽的長度估算為

圖2 天線結構演變過程

(1)

(2)

式中:c為光速;εeff為有效介電常數;fcenter為所需阻帶的中心頻率。

在天線2的基礎上,背面加載了一個開口諧振環(SRR),使天線在X波段也具有阻帶特性,此枝節與天線2中的C形槽圓心相同但半徑不同。通過在天線背面加載枝節實現第二個阻帶特性,可以避免阻帶之間的相互影響,最終實現具有雙阻帶特性的天線3。天線1-3的S參數如圖3、4所示。

圖3 天線S11仿真結果

圖4 天線S21仿真結果

按照優化后的天線模型進行加工,天線實物如圖5所示。

圖5 天線實物圖

2 仿真及實測結果

本文使用電磁仿真軟件Ansoft HFSS15分析了各結構對天線性能的影響,并結合天線實物的測試結果,討論了天線的S參數、電流圖、輻射性能、增益和包絡相關系數(ECC)。

2.1 天線參數分析

2.1.1 C形槽對天線的性能影響分析

對C形槽的相關參數進行仿真分析。如圖6所示,當C形槽的長度L1增加時,產生的阻帶向低頻方向移動。當L1=18.1 mm時,阻帶帶寬完全覆蓋WLAN頻帶。

圖6 不同尺寸L1的S11仿真結果

2.1.2 柵欄形枝節對天線的性能影響分析

在MIMO天線設計中,端口隔離度S21也是判斷天線性能的重要因素。此天線通過在對角線處引入柵欄形隔離枝節,實現了天線的高隔離度。其隔離結構是由3根矩形枝節和5條與其垂直的短枝節構成,呈交叉分布。圖7為天線引入隔離枝節前后的S21對比。由圖可知,引入柵欄形隔離枝節后,S21明顯下降,在工作頻段內隔離度均小于-27 dB。

圖7 添加隔離枝節前后S21對比

圖8為引入隔離枝節前后的電流分布圖。

圖8 天線4 GHz處的電流分布圖

由圖8可見,在未添加柵欄形隔離枝節時,端口2的地板、饋線及輻射貼片處出現了大量的耦合電流,嚴重影響了MIMO天線性能。在添加柵欄形隔離枝節后,耦合電流幾乎都集中在隔離枝節處,端口2附近的電流明顯減少。

2.2 S參數及電流分布圖

圖9為天線S11的仿真和實測值。實測結果表示天線的工作帶寬為3.00～10.66 GHz,滿足超寬帶天線的要求;在5.11～5.96 GHz和6.82～7.86 GHz頻段處形成了兩個S11高于-10 dB的阻帶,成功地避免了WLAN和X波段兩個窄帶頻段的干擾。

圖9 天線S11的仿真與實測值

圖10為天線S21仿真和實測曲線。由圖可見,實測結果遠好于仿真結果,該天線隔離度整體均在-27 dB以下,此結果遠高于MIMO天線隔離度低于-15 dB的一般要求。

圖10 天線S21的仿真與實測值

由圖11(a)可見,當天線工作在5.5 GHz時,電流主要集中在輻射貼片處的C形槽附近,有效抑制了WLAN窄帶頻段的干擾。由圖11(b)可見,當天線工作在7.5 GHz時,電流主要集中在天線背面的開口諧振環(SRR)附近,有效抑制了X波段的干擾。

圖11 天線的電流分布圖

2.3 輻射方向圖

圖12為天線在3.5 GHz、6 GHz、9 GHz處的方向圖。天線的E面方向圖為“8”字狀,具有雙向輻射性;H面方向圖接近一個圓,可以在各個方向上實現接收和發送信號。仿真與實測結果有微小差距,這是由于實測環境和加工誤差所導致,但天線整體仍可以滿足要求。

圖12 輻射方向圖的仿真與實測結果

2.4 增益

圖13為天線增益的仿真與實測結果,天線最高增益為4.8 dB,且增益在5.5 GHz、7.5 GHz處急劇下降,其余頻帶內較穩定。這表明該天線可以很好地抑制WLAN和X波段的信號干擾。

圖13 增益的仿真與實測結果

2.5 包絡相關系數

在MIMO系統中,包絡相關系數(ECC)用于衡量天線信道之間的相關程度。若相關程度過高,則會降低天線性能,其可表示為

(3)

天線的包絡相關系數仿真和測量數據如圖14所示,由圖可見,在工作頻段內包絡相關系數始終遠小于0.03,說明此MIMO系統中各信道獨立性較高,符合設計要求。

圖14 ECC的仿真與實測結果

3 天線性能比較

表2為本文所述天線與其他天線的性能參數對比。

表2 天線性能參數對比

由表2可見,本文設計的天線具有較高的隔離度,且采用CPW饋電,應用范圍更廣,可以同時阻斷多個窄帶通信信號的干擾,包括WLAN和X波段。

4 結束語

本文設計了一款基于共面波導饋電的高隔離度二阻帶超寬帶MIMO槽天線。天線以FR4為介質基板,由兩個正交放置的天線單元組成,通過在輻射貼片處刻蝕C形槽,以及在輻射貼片背部加載開口諧振環(SRR),抑制了WLAN和X波段兩個窄帶信號的干擾,引入的柵欄形枝節提高了天線的隔離度。實測結果顯示,該天線工作范圍為3.00～10.66 GHz,在5.11～5.96 GHz和6.82～7.86 GHz處具有阻帶特性,隔離度S21均低于-27 dB,包絡相關系數小于0.03。該結果表明此天線工作范圍寬,隔離度高,具有良好的輻射性能,在抑制窄帶信號的超寬帶MIMO通信領域具有重要價值。