采用缺陷地的高隔离MIMO天线设计

韩国瑞， 段美玲， 李 莉

(1. 山西大学 物理电子工程学院, 山西 太原 030006; 2. 山西大学 外国语学院, 山西 太原 030006)

采用缺陷地的高隔离MIMO天线设计

韩国瑞1， 段美玲2， 李 莉1

(1. 山西大学 物理电子工程学院, 山西 太原 030006; 2. 山西大学 外国语学院, 山西 太原 030006)

本文设计了一种具有高隔离度的四端口多输入多输出(MIMO)天线. 该天线的辐射单元由一个正八边形的贴片和一个方形环贴片两部分构成. 天线的谐振频率在2.45 GHz， 工作带宽大于50 MHz. 设计了一种缺陷地结构来改善天线单元间的隔离度， 并分析了缝隙尺寸与天线单元间的耦合电流之间的关系. 这种缺陷地结构， 通过改变天线地上的电流分布， 降低天线单元间的耦合， 从而实现天线单元间的高隔离度. 仿真结果显示： 采用本文的设计方法， 天线单元间的隔离度改善了10.1 dB， 天线单元间的互耦在天线工作频段内均低于-23.6 dB.

多输入多输出； 互耦； 缺陷地； 包络相关系数

0 引 言

现代无线通讯技术要求高的信道容量和高的数据传输速率. 多输入多输出(MIMO)技术通过利用多径效应进行数据传输， 已被证明是一种有效提高信道容量和鲁棒性的技术[1]. 由于MIMO天线大多采用极化分集或者方向图分集的天线来实现， 容许将各天线单元放在彼此非常靠近的地方， 所以使它们成为小型无线便携设备集成设计中的一个很好的方案. 但由于天线单元间距离很近， 其相互间的耦合将会很强， 所以设计一个高效而彼此不相关的MIMO天线是一项极具挑战性的工作， 已经受到广泛的关注.

近年来， 国内外学者们纷纷提出了多种降低紧密间隔天线单元相互耦合的技术. 方法有： 改变天线馈线形状， 并在天线的馈线上增加U型缝隙， 实现天线端口间的高隔离度[2]； 在天线单元间增加电磁能带隙(EBG)结构抑制表面波的传播， 从而降低天线单元间的耦合[3-4]； 通过在天线地平面上设置互补型开口环谐振器(CSRR)， 降低该区域的耦合电场， 来增强贴片天线单元之间的隔离度[5]； 通过在地平面上蚀刻一条正方形缝隙环， 减少电介质内的表面波以提高隔离， 但该方法将天线地平面分成多个， 不利于大规模天线阵列的集成应用[6]. 此外， 人工磁性材料和超材料也被用于天线单元之间的隔离增强[7].

本文提出一种由一个二端口正八边形贴片单元和一个二端口方形环单元构成的一个具有4个端口的 MIMO天线. 通过HFSS仿真软件， 对天线耦合电流分布进行仿真并分析. 在此基础上， 在电磁强耦合区域的地平面上蚀刻12条缝隙， 通过抑制耦合电磁波在电介质内传播的方法， 来提高天线单元之间的隔离度. 在增加DGS以后， 通过进一步仿真分析， 得出优化的天线参数、 各单元之间的相互耦合电流分布和相关系数.

1 天线的设计

1.1 四端口MIMO天线的结构

本文设计的MIMO天线由两层金属板和一层介电常数为4.4， 损耗角正切为0.02的FR4介质板构成. 金属板和介质板间隔排列， 介质板的大小为L1×L1， 厚度为h， 整个天线的大小为60 mm×60 mm×1.6 mm. 所设计的MIMO天线的两层金属板的几何形状如图 1 所示. 天线顶层金属是由一个方形环贴片包围一个正八边形贴片组成， 如图1(a)所示. 方形环贴片天线单元由两个同轴探针端口P1和P2馈电， 激励出方形环贴片单元的两个高阶谐振模式TM12和TM21模； 而正八边形贴片天线单元同样通过两个同轴探针端口P3和P4馈电， 激励出正八边形贴片单元的TM01模式和TM10模式. 为了减少天线单元之间的耦合电流， 在天线的下层金属平面上蚀刻12条长和宽分别为ls和ws的缝隙， 如图1(b)中所示. 这些蚀刻的缝隙是对应环绕在正八边形贴片的四周， 分为4个方向， 每个方向3条缝隙， 缝隙间隔为g.

图 1 四端口MIMO天线结构图Fig.1 Configuration of 4 ports MIMO antenna

天线各部分的尺寸为:L1=60 mm,L2=58 mm,L3=40 mm,L4=34.2 mm,a=9.7 mm,b=14.4 mm,c=8 mm,d=10 mm,g=1.2 mm,h=1.6 mm,ls=29.6 mm,ws=0.8 mm.

1.2 表面电流分布及DGS的设计

通常情况下， 天线的谐振频率由天线的几何尺寸所决定. 为了进一步研究四端口MIMO天线参数， 通过HFSS仿真软件， 对天线地平面上的表面电流分布进行了仿真. 在谐振频率2.45 GHz上， 天线分别由4个端口P1～P4激励时， 天线地平面上的表面电流分布结果如图 2， 图 3 所示. 从图2 (a)可以观察到， 对于P1激励的电流沿垂直环臂有两个极大值， 沿水平环臂只有一个极大值， 表明端口P1激励正方形环贴片的TM12模式. 从图2 (b)可以观察到， 对于P2激励的电流沿垂直环臂有一个极大值， 沿水平环臂却有两个极大值， 表明端口P2激励正方形环贴片的TM21模式. 由于这两个模式是相互正交的， 所以端口P1和P2之间具有高隔离度. 同理如图2 (c)～图2(d)所示的电流路径可知， 端口P3和P4分别激励八边形贴片的两种模式TM10和TM01. 同样模式TM10和TM01也是正交的， 端口P3和P4之间也具有较高的隔离度. 比较图2中的电流分布可知， 由于耦合电流的存在， 端口P1和P3， 以及端口P2和P4之间具有相似的电流分布， 他们两两之间的隔离度将变得很差. 本文采用在地平面上设置缺陷地结构的方法， 通过阻碍耦合电流在介质内的传播， 来提高端口之间的隔离度. 如图3所示， 由于缝隙的存在， 端口P1和P2所激励的电流主要分布在外部方形环上， 八边形贴片上的耦合电流变得很小； 而端口P3和P4所激励的电流主要分布在八边形贴片上， 外部方形环上的耦合电流则变得很小. 所以在设置了缝隙之后， 即使具有相似电流分布的两个端口也将具有较高的隔离度.

图 2 无DGS时的地平面上的表面电流Fig.2 Surface current on ground without DGS

图 3 有DGS时的地平面上的表面电流Fig.3 Surface current on ground with DGS

2 天线的仿真结果

运用HFSS仿真软件求解分析， 我们可以得到天线参数的仿真结果如图 4～图 7 所示. 设置DGS前后， 天线S参数的仿真结果如图 4， 图 5 所示. 由图 4 可知， 没有采用DGS时， 由于天线单元辐射具有相同极化， 天线端口耦合参数S13和S24较高， 在2.45 GHz到达了-13.5 dB. 如图 5 所示， 采用DGS以后， 天线所有端口间的耦合值包括S13和S24均低于-23.6 dB. 天线各单元间的隔离在2.45 GHz频率处改善了10.1 dB. 此外， 增加DGS以后， 天线各单元的谐振频率均变为2.45 GHz， 方形环天线和八边形贴片天线的阻抗带宽分别是80 MHz和50 MHz.

图 4 无DGS时的S参数Fig.4 S parameters without DGS

图 5 有DGS时的S参数Fig.5 S parameters with DGS

同时， 天线所有4个端口在E-面和H-面的辐射方向图也进行了仿真， 如图 6 所示. 环形天线端口P1和P2具有正交的极化方向； 正八边形贴片天线端口P3和P4具有正交的极化方向， 这样能够确保端口之间的耦合很小. 然而， 相同极化方向的端口之间的相互耦合则会较高， 比如P1和P3之间. 采用DGS之后， 虽然没有改变电流的极化方向， 但是减小了耦合电流， 同样可以降低天线端口之间的耦合.

图 6 有DGS时的辐射方向图Fig.6 The radiation pattern with DGS

对天线的多输入多输出性能也进行了分析. 一般情况下， 包络相关系数(envelope correlation coefficient, ECC)低于0.2的可以确保辐射信号之间不相关. 天线包络相关系数计算得到的结果如图 7 所示. 可以观察到， 天线相关系数在工作频带内总是低于0.1， 可以确保天线具有良好的MIMO性能.

图 7 天线单元间的包络相关系数Fig.7 Envelope correlation coefficients between antenna elements

3 结 论

本文设计了一种新型的四端口MIMO天线， 该天线由一个正八边形贴片和一个方形环贴片构成. 在分析天线表面电流分布的基础上， 通过设计在天线地平面上蚀刻12条缝隙的缺陷地结构， 减少了各单元之间的表面波耦合， 提高了天线单元之间的隔离度. 仿真结果表明： 利用文中提出的DGS， 设计的MIMO天线的所有耦合值在工作频带内均低于-23.6 dB， 并且不同的端口之间的相关系数ECC均低于0.1.

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Design of a High Isolation MIMO Antenna with DGS

HAN Guorui1, DUAN Meiling2, LI Li1

(1. College of Physics & Electronics Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China;2. School of Foreign Language, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

In this paper, a novel four ports of high isolation multiple-input-multiple-output (MIMO) antenna is designed. The radiation elements of the proposed MIMO antenna include an octagonal patch and a square ring patch. The antenna operates in over 50 MHz bandwidth centered at 2.45 GHz. A novel defected ground structure (DGS) for improving the isolation between four ports is designed. The relation between the DGS and the coupling current is analyzed. With the DGS, the current paths are changed, The coupling between antenna elements is reduced, thus the high isolation between antenna elements is realized.. Simulation results show that the isolation is improved by 10.1 dB and the mutual coupling values of less than -23.6 dB are obtained between antenna elements.

multiple-input and multiple-output (MIMO); mutual coupling; defected ground structure (DGS); envelope correlation coefficient (ECC)

1671-7449(2017)01-0051-05

2016-07-09

国家自然科学基金资助项目(61172045， 61271160)； 国家基础科学人才培养基金资助项目(J1103210)； 山西省自然科学基金资助项目(2014021021-1， 2015011042， 2015011051)

韩国瑞(1977-)， 男， 讲师， 博士， 主要从事微带天线以及封装天线的研究.

TN823+.24

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.01.009