解耦合的紧凑微带天线阵设计

王友保，史 超，林 海

(南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京 210044)

0 引言

在现代无线通信系统中，人们对数据的传输速率和传输质量提出了越来越高的要求。根据Shannon容量限制［1］，传统的无线通信系统单输入单输出(SISO，single input single output)、多输入单输出(MISO，multiple input single output)和单输入多输出(SIMO，single input multiple output)在信道容量上已不可突破，已不能满足人们日益增长的对数据传输的需求，于是，科研人员很自然地把多输入多输出(MIMO，multiple input multiple output)作为提高无线通信传输速率的技术突破口之一来进行研究［2］。实际上，MIMO技术最早是由马可尼于1908年提出的［3］。MIMO技术是在系统中发射端和接收端同时采用多天线，在无线信道的多径衰落分量足够丰富的前提下，各对收发天线间的多径衰落就趋于独立，从而创造多个并行空间信道。它与传统的通信技术区别是MIMO可以利用室内的多路径传播来改善信号质量和可靠性，在不牺牲带宽的前提下成倍地提升了通信系统的容量和传输速率［4，5］。MIMO系统中终端多天线的选择需要综合考虑增益、方向图、匹配特性，还有是否易加工、是否具有低轮廓、小体积、轻质量等多种因素，全向天线非常适合于MIMO系统应用，然而，当把多天线技术应用于小型MIMO移动终端设备时，天线单元之间会相互耦合，通常阵列天线单元间的间距需大于二分之一波长才能避免耦合的产生［6，7］。由于受限于移动通讯设备的尺寸，内部往往无法提供所需的间距，这直接使得MIMO技术无法大规模应用于移动通信系统中，从而导致MIMO技术在商业实现上受到了限制［8］。

在现有的研究中，常见的解耦方式包括修改地面结构解耦［9～11］，采用谐振结构解耦［12～14］，采用电流中和技术解耦［15，16］等。近几年采用在天线之间加入解耦网络的方式也备受关注［17～20］，但在这些文献［17～20］中，解耦网络需要使用集总元件，而它们敏感不易调试，更难实现大规模集成制作。

本设计采用微带电路代替传统的集总元件电路，使整个结构能够印刷制作;同时，天线采用倒L结构作为辐射单元，得到尺寸较小的天线阵系统;另外，端口的匹配采用阶梯形阻抗匹配器，达到了极高的匹配程度。仿真和实测结果显示，该多输入多输出天线阵工作在2.45 GHz，天线单元反射系数和天线单元间的隔离度在工作频段(2.4 GHz～2.48 GHz)内均小于－20 dB，天线远场保持了较好的全向性。

1 设计原理［21］

一个带有解耦网络的M个天线单元构成的多输入多输出系统，如图1所示。图1中分别标有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的三条虚线表示依次向天线阵看去的三个端面。通常情况下，由端面Ⅰ看向天线阵时，多天线系统已基本匹配，理论上相应的散射矩阵SⅠ的对角线元素应为零，即而天线单元之间由于相距较近造成彼此之间产生较强的互耦，即SⅠ的非对角线元素，且 i、j=1，2，…，M。为了减小互耦，即设法使散射矩阵的非对角元素为零，可在多天线系统的后端加入解耦网络，如图1所示。于是从端面Ⅱ看向天线阵时，理论上相应的散射矩阵SⅡ的非对角线元素变为零，即且i、j=1，2，…，M;但一般不能同时保证散射矩阵SⅡ的对角元素为零，即，各端口不是完全匹配的。为了实现各端口的匹配，可在图1中端面Ⅱ后增加匹配网络，于是从端面Ⅲ看向天线阵时，在保持散射矩阵SⅢ的非对角线元素为零的同时，理论上可使相应的散射矩阵SⅢ的对角线元素为零，即至此，实现了天线阵的解耦和匹配。需要强调的是，这里关键技术是解耦网络的设计，而上述设计要求是用散射矩阵SⅡ的非对角线元素为零来描述的，显然这对微带电路的特性描述不直观，为了更直观地描述微带电路的特性，将散射矩阵SⅡ转化为相应的导纳矩阵YⅡ，则有，且 i、j=1，2，…，M。下面以两个天线单元组成的阵为例进行说明。

图1 解耦网络基本模型

在图1中，假设采用两个天线单元阵列，由端面Ⅱ看向天线阵时，相应的散射矩阵SⅡ可写为

现将散射矩阵SⅡ转化为导纳矩阵YⅡ有

导纳矩阵YⅡ的非对角元素，可用散射矩阵SⅡ的元素表示［22］如下

其中Y0是微带线的特性导纳。显然，当时，有从该结果可知，由端面Ⅰ看向天线阵时相应导纳矩阵YⅠ的非对角元素的导纳值与增加的解耦网络所提供的导纳值相互抵消，这为设计解耦网络提供了极强的可操作指导思想。另外，这里天线端口间的解耦是通过导纳抵消来实现的，从而暗示采用微带网络所能处理的耦合问题必须是纯电抗性的。

最后值得指出，使用SIR阶梯阻抗折叠型微带开口谐振环来设计一个2阶抽头馈电带通滤波器作为其解耦网络，它既保持了一般1/2波长SIR的特性，又有结构紧凑的特点。其原理如下。

λg/2型SIR基本结构如图2所示，由开路端看去的输入导纳为［23］

取Yi=0得到谐振条件为

为设计方便，取 θ1= θ2= θ0，式(11)简化为

此时，谐振条件为

式中，θ0为基频f0对应的电长度。

本设计中所使用的变形结构，如图2所示。其内部耦合环形SIR，如图3所示。

由文献［24］，图3可以看作是以开路式对称耦合微带单元级联而成，如图4所示。其A矩阵为［25］

图2

图3 具有内部耦合环形SIR

图4 微带耦合单元

根据电路理论，该耦合结构可等效成由两根特性阻抗为Z0的单线和一个导纳反相器J组成的等效电路，如图5所示。

图5 采用J倒置器的等效电路

其等效电路的A矩阵为［26］

由 A1=A2，θc=π/2可得

式中，耦合谐振器带通滤波器的导纳倒置器的J为［27］

式中，θc为耦合节的电长度。

把谐振节元件值gi和相对带宽FBW作为带通滤波器的设计参量，通过式(16)和式(17)就可以求出耦合微带线的奇模、偶模阻抗，并通过查表或电磁仿真软件来确定耦合微带线的尺寸。再将这里得到的SIR带通滤波器和天线单元组合成初始解耦天线阵模型，在HFSS软件平台上建模仿真，经过多次参数优化后，最终得到带有SIR带通滤波器的解耦天线阵。

2 天线设计

根据以上原理，设计出的天线阵如图6所示。

图6 天线模型结构图

采用F4B介质板，相对介电常数为2.65，尺寸为106 mm×52 mm×1 mm。天线工作的中心频率为2.45 GHz。介质板的背面印刷着一块82 mm×52 mm的主地板平面(图6中黑色部分)，而正面印刷着两个倒L形的平面单极子作为辐射单元，这两个辐射单元关于介质板的垂直轴线对称放置。采用阶梯形阻抗匹配器来增强天线端口的匹配程度。另外，解耦网络由两段特性阻抗为Z0的传输线和一个SIR微带发夹型带通滤波器两部分所组成，用于消除两单元MIMO阵列天线间的互耦。

加工出的天线实物如图7所示。定义左侧天线为天线单元1，右侧天线为天线单元2。天线单元仿真和实测反射系数S11，如图8所示。由于结构对称，仅给出端口1的反射系数;天线两单元间仿真和实测隔离度S21，如图9所示;图10、图11和图12分别给出了天线单元1接激励信号，天线单元2接50 Ω匹配负载时天线在2.45 GHz时在微波暗室中测得的远场YOZ面、XOZ面和XOY面的辐射方向图。其中，θ为由原点指向场点的位置矢量与x轴之间夹角，φ为上面的位置矢量在YOZ面投影分量与y轴之间夹角。

由图8～图12可知，所设计的MIMO阵列天线在增加解耦网络后，两天线单元的回波损耗和隔离度在工作频段(2.4 GHz～2.48 GHz)内均小于－20 dB，达到预期目标。这里需要指出的是，图9表示的天线两端口间仿真与实测隔离度虽然在整个工作频段内整体变化趋势一致，但矢量网络分析仪上实测值在各个频点都较仿真值差10 dB左右，这一系统性误差主要原因有两个，即天线阵接矢量网络分析仪输出信号的一端直接从狭小的空间将信号一部分传到其接矢量网络分析仪接收信号的那一端，以及制作天线过程中引入的误差。图10显示在YOZ面上天线获得了较好的辐射，YOZ面定义为整个φ角上天线的辐射，因此对于实际的MIMO应用是非常重要的。由于两天线的对称性，天线单元2的辐射方向图与天线单元1基本上是相同的。由此可得它们在空间中具有互补的特性，天线具有良好的分集性能，很好的符合了MIMO天线的技术特点。由本设计实例可以看出，通过增加解耦网络可以消除天线单元间的耦合，从而实现在移动终端狭小的空间内可以放置多个天线，使得MIMO天线阵的应用成为可能。

3 结语

设计了一种新型结构的去耦合微带天线阵，在此解耦网络的设计中，利用微带电路代替了集总元件电路，避免了集总元件调试的敏感性，从而大大增强了MIMO系统中两个紧密间隔的天线单元间的隔离度，还使得整个系统可以印刷制作。根据仿真和测试结果可以看出此MIMO阵列天线具有高隔离度和低回波损耗等特性，较一般的阵列天线性能有所提升，达到了设计要求。因此，该紧凑微带型多天线系统具有一定的应用前景。

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