基于新型共面波導的頻率可重構MIMO天線設計

常 睿,李 偉,姚博譯,段俊萍,張斌珍

(中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,山西 太原 030051)

0 引言

近年來無線與通信技術發展迅猛,為了滿足通信系統日益增長的需求,高傳輸速率、大容量信道、寬帶頻段等成為重點研究方向[1]。而多輸入多輸出(MIMO)技術可以在相同帶寬的情況下提高頻譜利用率和信道容量,這對于解決日趨緊缺的頻譜資源是一個良好的解決方法。

MIMO天線利用多個發射和接收天線來提供復用增益和分集增益,這減少了多徑衰落效應,增加了傳輸容量。小型化和緊湊型天線是寬帶天線系統中較常見的天線類型。對于MIMO天線,單元之間的互耦程度是衡量MIMO系統性能的重要指標之一。為了解決去耦問題,提出了多種技術方法,如去耦存根技術[2]、缺陷地結構[3-4]、電子帶隙[5-6]和開口諧振環[7-8]等。研究表明,MIMO天線中的分集技術可以有效地解決多徑衰落問題,從而提升通信質量[9]。在MIMO天線諸多優勢的基礎上,可重構MIMO天線在新一代通信系統中獲得極大的關注[10],它不僅是改善覆蓋范圍和提高數據速率的絕佳選擇,還可以根據頻率可重構的特性提高頻譜效率。近年來可重構天線的設計已應用于MIMO天線系統中,文獻[11]采用可控開關元件對超寬帶(UWB)頻段內進行可調節和可逆的控制,使天線能在3種不同模式下運行。2022年,Zhao等[12]提出一種可以通過二極管控制的可重構MIMO天線,使天線分別在3.5 GHz和5 GHz頻段工作。Islam. H等[13]等設計了一種帶阻濾波器去耦網絡,在濾波器配置中連接單個PIN二極管。通過控制PIN二極管的ON/OFF狀態,MIMO天線可以在模式1(4.75 GHz)和模式2(1.77 GHz)下工作。

本文提出了一種基于新型共面波導(CPW)饋電方式的緊湊型可重構MIMO天線,通過控制開關可使天線在UWB頻段和K波段下工作。所設計的天線結構簡單,性能優良,MIMO天線的隔離性能良好,具有緊湊的尺寸(僅19 mm×38 mm),比大多數提出的MIMO天線尺寸更小。

1 天線的設計與分析

所設計的天線最終結構如圖1所示。天線尺寸為19 mm×12 mm×0.8 mm。選用F4B作為介質基板材料構建印刷電路板,該介質基板的相對介電常數為2.65,損耗角正切為0.001。所設計的天線主要由一個矩形貼片和共面波導構成,在CPW上蝕刻不規則矩形縫隙可以改變貼片上的電流方向,實現良好的阻抗匹配。通過控制D1、D2的導通與截止狀態可實現天線的頻率重構功能。優化尺寸如表1所示。

表1 天線最優參數尺寸 mm

圖1 天線結構圖

所設計的單個天線仿真結果如圖2所示。由圖可見,當D1、D2導通時,天線的工作頻段為6.17～9.38 GHz,而當D1、D2處于截止狀態時,由于表面電流的長度改變,天線的工作狀態隨之變化,工作頻率變為19.53～25.48 GHz。

圖2 兩種工作狀態下的S11

2 天線的性能研究

2.1 MIMO天線設計

所設計的MIMO天線由兩個天線單元正交排列在同一介質基板上組成。其中一個天線單元被激勵,由于天線的隔離效果較好,確保了表面電流處于該單元中,而不會與其他單元產生耦合。圖3為天線幾何結構和加工實物圖,其中天線單元的尺寸與第1節一致。所提出的1×2 MIMO天線由兩個天線單元正交組成,印刷在19 mm×38 mm的F4B介質基板上。

圖3 MIMO天線結構及實物圖

2.2 天線性能分析

圖4為MIMO天線的仿真與測試結果。由圖可見,仿真與實測的S11、S21曲線大致吻合,誤差在可接受范圍內,出現誤差的原因在于存在加工誤差、SMA連接器損耗以及測試誤差等不可避免的因素。在兩種工作模式下S21均大于20 dB,這說明MIMO天線在工作范圍內具有良好的隔離度。

圖4 MIMO天線的仿真與測試結果

為了觀察共面波導對MIMO天線的影響,圖5給出了MIMO天線在6.5 GHz與23.3 GHz的表面電流分布,在端口1被激勵時,端口2接50 Ω匹配負載。

圖5 MIMO天線在不同頻率下的表面電流分布

在開關截止時(見圖5(a)),天線的最大電流主要分布在靠近端口的饋線部分,以及貼片的左下角和右上角附近,只有很細微的能量耦合在新型共面波導上;而當開關導通時(見圖5(b)),天線的最大電流分布在饋線、貼片及新型共面波導,這說明當改變共面波導的表面能量狀態的同時也改變了天線的電流分布情況,延長了電流的長度,實現了可重構特性。此外,在兩種狀態下均未發生天線單元之間相互耦合的情況,這表明所設計的MIMO天線具有良好的隔離特性。

圖6(a)、(b)為MIMO天線在6.5 GHz與23.3 GHz下的天線輻射方向圖。由圖可見,在6.5 GHz下表現為全向輻射,而在23.3 GHz下輻射方向發生輕微畸變,這是由于隨著頻率增大,介質基底的介電常數發生了損耗,天線的測試環境如圖6(c)所示。

圖6 MIMO天線方向圖及測試環境

2.3 分集性能分析

除了傳統的天線參數外,還需要觀察包絡相關系數(ECC)來衡量天線單元之間的相關性,通過觀察ECC來表征天線之間的獨立性,ECC較低,說明MIMO天線具有良好的分集性能,一般要求ECC低于0.4。與此同時,分集增益(DG)也是MIMO天線的一個重要參數,它是評估MIMO系統與單天線系統信噪比的量化改進指標,量化了分集對通信系統的影響,DG可由ECC進一步得出。ECC與DG分別為

(1)

(2)

通過式(1)、(2)計算天線的ECC、DG,結果如圖7所示。由圖可見,在整個工作頻段中,MIMO天線的ECC均小于0.05,遠小于指標0.4。此外,DG接近10 dB,說明天線單元之間具有良好的不相關性。

圖7 兩種工作狀態下天線的相關包絡系數與分集增益

3 結束語

本文設計了一款基于新型共面波導(CPW)頻率可重構MIMO天線,所設計的天線可以在6.17～9.38 GHz與19.53～25.48 GHz之間工作,在工作頻段內的隔離度小于-20 dB,天線的相關包絡系數小于0.05。分集增益無限接近于10 dB,這表明天線具有良好的分集性能,為未來寬帶通信系統提供了良好的選擇。