一种基于缺陷地结构的双单元MIMO天线阵宽带解耦方法

2017-05-18蔡志强

重庆邮电大学学报(自然科学版) 2017年2期

关键词：天线阵介电常数开口

蔡志强,王平

(重庆邮电大学重庆市移动通信市级重点实验室，重庆 400065)

一种基于缺陷地结构的双单元MIMO天线阵宽带解耦方法

蔡志强,王平

(重庆邮电大学重庆市移动通信市级重点实验室，重庆 400065)

基于缺陷地结构互耦抑制机理，研究了手机移动终端双单元多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)天线阵实现宽带解耦方法。该方法是在T型分支上加载3对不同长度的开口槽线，形成1对L型单极分支和2对I型单极分支，分别在不同频段内实现解耦，再联合实现宽带解耦的方式。测试结果表明，以-6 dB的反射系数值为标准，带宽能覆盖低频段75 MHz(685 MHz～760 MHz)和50 MHz(910 MHz～960 MHz)，高频段880 MHz(1.65 GHz～2.53 GHz)，天线单元间的耦合程度小于-15 dB，满足GSM900，LTE700，GSM1800，GSM1900，UMTS，LTE2300，LTE2500和2.4 GHz WLAN等常用通信频段的带宽需求，对于目前2G，3G，4G通信系统共存的市场局面也拥有良好的实际运用价值。该天线的增益在工作频段0.51～2.45 dBi变化，效率在60%以上，显示出了良好的辐射性能。

宽带解耦；开口槽线；L/I型单极；移动终端；多输入多输出(MIMO)

0 引言

多输入多输出(multipleinput multiple output,MIMO)技术在提高系统信道容量和数据传输速率上有着独特的优势，一直以来成为各学者研究的重点。在传统的MIMO通信系统中，基站端通常为多天线阵列，而移动手机终端仅考虑为单个天线多个用户组成多天线信号收发系统，以此提升系统的信道容量，进而改善通信系统的通信质量[1]。然而，受工作机理的限制，单用户单天线结构难以满足日益增长的通信质量和容量需求，因而单用户多天线结构布局研究就变得非常有必要。但受手机等移动终端有限空间和强耦合效应的影响，严重地限制了天线数量和通信质量。因此，研究移动终端多天线的解耦技术才能有效地推动移动终端MIMO通信技术的发展。

近年来，多种解耦技术已被报道，如加载解耦电路网络[2]，地平面分支[3]，耦合单元(包括加载特异性材料)[4-5]，缺陷地结构[6-7]，中和线技术(neutralization lines)[8]，等。虽然这些技术能降低阵元间的耦合效应，阵元间距也较小，但是仅实现了窄带解耦，而宽带解耦方式并未涉及。因为多种通信频段的共存，比如需要同时覆盖GSM900(880～960 MHz)/GSM1 800(1 710～1 880 MHz)/GSM1 900(1 850～1 990 MHz)/UMTS(1 920～2 170 MHz)/LTE2 300(2 300～2 400 MHz)等频段，就需要单个天线的工作带宽越来越宽，随之也要求解耦的频率范围也越宽。因此，研究覆盖多种无线通信频段的宽带解耦技术迫在眉睫。最近，清华大学杜正伟教授基于中和线技术，采用3根不同长度的连接线，3根连接线分别在不同频带实现解耦，并联合形成宽带的解耦方式[9]。虽然该方法能够达到宽带解耦的目的，但是结构复杂，3根中和线的宽度和位置参数对结构影响敏感，想要达到最佳的解耦效果所要求的中和线尺寸的仿真调试需要花费大量的时间。

缺陷地结构因其具有结构简单、所占用的空间小、谐振频段易于调节等优点，一直以来被大量运用在移动终端解耦技术研究中。为此，该文基于缺陷地结构技术，在突出的T型地平面上加载3对不同长度开口槽线，形成1对L型单极和2对I型单极。I型和L型单极不仅使得2个天线单元在6 mm的间距下具有良好的隔离度，而且在工作频段内改善了阻抗匹配。测试结果表明，整个天线在低频段(0.68～0.76 GHz,0.91～0.96 GHz)和高频段(1.65～2.53 GHz)的频带阵元间耦合值小于-15 dB。

1 天线结构

建议的MIMO天线阵为单平面结构，采用成熟的印刷电路板技术即可实现。整个天线印刷在仅0.728 mm厚的低成本FR4介质板上，介质板的相对介电常数为4.4，正切损耗为0.02，满足目前移动终端天线平面化的设计需求，如图1所示。其中，地平面区域为60 mm×105 mm，天线阵覆盖区域仅为15 mm×60 mm，阵元间边缘间距为6 mm。图1b描述了单个天线和开口槽线的结构，并附上最优参数值。天线单元由位于介质板顶层的激励单元和分支单元以及底层的耦合单元组成，整个天线单元尺寸为15 mm×26 mm。每个天线单元均由50 Ω SMA连接头馈电，其中激励单元和耦合单元分别加载18 nH和13 nH的电感以改善天线阻抗匹配。为了提高天线阵元间的隔离度，3对不同长度开口槽线加载在两天线单元间T型微带分支上。为了降低设计难度，所有开口槽的宽度和槽线间隔均为0.5 mm，取3个开口槽的长度分别为18，21.8，24 mm，分别在不同的频点谐振，形成宽带的隔离效应。其隔离原理为在T型微带分支上蚀刻开口槽线不仅阻断地平面电流在两天线单元间流动，也可因开口槽线谐振产生的辐射电磁波有效地抑制天线阵元间辐射场的耦合。

图1 天线结构Fig.1 Antenna structure

2 参数分析

为了深入地理解该解耦网络的去耦机制，该部分对相关参数进行参数分析。参数分析时仅一个参数发生变化，其他参数保持不变。

图2给出了建议的双单元MIMO天线阵的演化过程。图3给出了图2中每种天线阵结构的S参数曲线。从图3可知，天线的阻抗匹配极差，且在高频段，谐振频段内的能量传输系数(S12)最大。然而，当在地平面顶端加载T型分支时，结构见图2b，不仅阻抗匹配得到了改善，而且能量传输系数也相应得到了降低。若在T型分支对称地再加载3对I型开口槽线，形成1对L型分支线和2对I型分支线，如图2c，天线的阻抗匹配和能量传输系数都获得了进一步改善，即意味着2个天线辐射场的互干扰得到抑制。

图2 解耦方法Fig.2 Decoupling methods

图3 图2中加载不同解耦网络的S参数曲线Fig.3 Simulated reflection coefficient of the three antennas with different decoupling network shown in Fig.2

图4描述了在T型地平面分支上分别加载：①开口槽1；②开口槽1和2；③开口槽1和2和3这3种组合方式时，天线端口反射系数曲线的变化规律。从图4中可知，以-6 dB反射系数(S11)值为标准，在低频段，不同组合的开口槽线对天线的阻抗匹配影响较小，而在高频段，加载槽线1和加载槽线1和2这2种组合方式时的阻抗带宽相对较宽。由于该文主要研究天线阵元间的宽带解耦，因而应折中考虑阻抗匹配带宽和隔离效应。

图4 加载不同数量开口槽线时能量反射系数(S11)曲线Fig.4 S11 curves as etching different quantity of open-ended slots

图5描述了在T型地平面分支上分别加载：①开口槽1；②开口槽1和2；③开口槽1和2和3这3种组合方式时，能量传输系数(S12)曲线的变化规律。图5表明，随着开口槽数量的增加，在低频范围能量传输系数(S12)参数变化甚微，而在高频范围，能量传输系数(S12)明显降低，意味着两天线间的耦合效应获得了抑制。当仅加载开口槽线1时，在频率为1.77～1.81 GHz能量传输系数(S12)高于-10 dB。当同时加载开口槽线1和2时，阵元间的耦合获得了改善。若再加载开口槽线3时，耦合效应进一步获得抑制，在工作频带内能量传输系数(S12)曲线低于-13 dB。

3 仿真与测试结果

为了验证设计的有效性，优化设计的天线阵被加工，并采用安捷伦N5230A系列矢量网络分析进行S参数测试，如图6所示。图7给出了天线阵的仿真和测试结果。从图7中可知，仿真与测试值基本吻合，但也呈现出较小的误差，误差的主要来源可以概括为①SMA接头粗糙的焊接；②室内不理想的测试环境；③加工误差；④介质参数的误差；⑤仿真算法的误差等。测试结果表明，以S11<-6 dB为标准，低频段覆盖685～760 MHz频段和910～960 MHz频段，绝对带宽分别为75 MHz和50 MHz；高频段覆盖1 650～2 530 MHz频段，绝对带宽为880 MHz。天线能够覆盖的通信频段为LTE700(699～716 MHz)/GSM900(935～960 MHz)GSM1 800(1 710～1 880 MHz)/GSM1 900(1 850～1 990 MHz)/UMTS(1 920～2 170 MHz)/LTE2 300(2 300～2 400 MHz)等频段，且阵元间的能量传输系数(S12)小于-15 dB。值得注意的是，虽然该天线阵不能完全覆盖各无线通信频段，但是简单的宽带解耦方法能够应用到各种宽带MIMO天线阵中。

图5 加载不同数量开口槽线时能量传输系数(S12)曲线Fig.5 S12 curves as etching different quantity of open-ended slots

图6 天线阵列实物图Fig.6 Photograph of the antenna array

图7 天线实际S参数测量值与仿真值对比Fig.7 Measured and simulated S-parameters of the proposed antenna array

为了分析介质参数的误差，本文仿真分析了相对介电常数对于S参数的影响。

图8描述了不同相对介电常数介质基板的能量反射系数(S11)曲线。从图8中可以，看出随着相对介电常数的增大，在低频段天线单元的S11曲线变化较小。而在高频段，低于以反射系数-6 dB为标准的带宽范围逐渐向左移动，即有效带宽向低频段移动，而最低波峰随着相对介电常数的增大而逐渐降低，这些都与实际测量值的变化趋势是相符合的。

图8 不同相对介电常数反射系数曲线Fig.8 Reflection coefficient curves with variation permittivity

图9为不同相对介电常数介质基板的能力传输系数(S12)曲线。同样地，随着相对介电常数的增大，在低频段的S12曲线呈现出下降的趋势；而在高频段随着相对介电常数的增大，S12曲线的第一个波峰随着降低，但是当相对介电常数从4.8变为5.2时波峰反而上升，为了增大天线间的隔离度应选择他们之间的某一个值。

图9 不同相对介电常数能量传输曲线Fig.9 Energy transmission coefficient curves with variation permittivity

综合分析图8和图9，引入误差的实际加工FR4介质基板的相对介电常数为4.8～5.2。

图10描述了天线阵列在0.73 GHz频点的辐射方向图。若天线单元1激励时，天线单元2连接到50 Ω的匹配负载，反之亦然。从辐射方向图可知，天线1和天线2是对称辐射场。

图10 0.73 GHz频点辐射方向图Fig.10 Normalized radiation patterns at 0.73 GHz

图11 2 GHz频点辐射方向图Fig.11 Normalized radiation patterns at 2 GHz

图12 天线单元在高频段内的增益以及效率Fig.12 Antenna gain and efficiency in the upper band

图11描述了天线阵列在2 GHz频点的辐射方向图。图11中表明，在XY平面，天线1和天线2的辐射方向图主瓣朝着相反的方向，即两天线辐射场的重合部分减少，实现高的隔离效应。天线的辐射能力在低频段和高频段都能够近似覆盖全方向空间，对于提高对抗多径衰弱和系统稳定性是十分有帮助的。

图12描述了天线在工作频段(1.65～2.53 GHz)内的天线效率以及增益。从图12中可知，天线增益在全部工作频段0.51～2.45 dBi，效率全部在60%以上，显示出了良好的辐射性能。

4 总结

该文提出了一种基于缺陷地结构技术的双单元MIMO天线阵宽带解耦方法，即在T型接地平面上蚀刻3对不同长度的开口槽线，构成一对L型单极分支和2对I型单极分支，每个分支在各相邻频段内进行电磁波耦合抑制，联合实现宽带解耦的方式。I型和L型单极不仅使得2个天线单元在6 mm的间距下具有良好的隔离度，而且在工作频段内改善了阻抗匹配。建议的双单元MIMO天线阵被加工和测试，测试结果与仿真结果吻合较好，结果表明，两天线在工作频段内的隔离度高于15 dB；天线效率高于60%；天线在工作频段内近似为全向辐射。由此可见，该宽带解耦方法简单易行，解耦效果较好，拥有良好的实际运用价值。

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(编辑：刘勇)

A dual-antenna MIMO array wideband decoupling method using defected ground structure

CAI Zhiqiang，WANG Ping

(Chongqing Key Laboratory of Mobile Communication, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, P.R. China)

In this paper, a wideband decoupling method of the dual-antenna MIMO array is studied for mobile terminals based on decoupling mechanism of defected ground structure. The method is to etch three pairs open-ended slots of various lengths on a T-shaped metal ground to form a pair of L-shaped monopole branches and two pairs of I-shaped monopole branches. These branches are designed to suppress the mutual coupling between antenna elements at different bands, which forms a wideband decoupling. Measured results show that, with -6 dB reflection coefficient as a standard, the operating bandwidths are 75 MHz(685 MHz～760 MHz), 50 MHz(910 MHz～960 MHz), 880 MHz(1.65 GHz～2.53 GHz), respectively. The measured mutual coupling between antenna elements is less than -15 dB at all frequency ranges, which meets the requirements of the GSM900, LTE700, GSM1800, GSM1900, UMTS, LTE2300, LTE2500, 2.4 GHz WLAN bands. Furthermore, it is also a good practical application in the market where 2G, 3G and 4G mobile communication system co-existed. Finally, the antenna gain is varied from 0.51 dBi to 2.45 dBi, and the efficiency is above 60% at working bands, which shows that MIMO array has a well radiation performance.

wideband decoupling; open-ended slot; L/I-shaped monopole; mobile terminals; multiple input multiple output(MIMO)

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.02.006

2016-05-03

2016-10-11 通讯作者：王平 wp@cqupt.edu.cn

港澳台科技合作专项(2015DFT10170)；长江学者和创新团队发展计划(IRT1299)；重庆邮电大学博士启动基金(A2015-08)

Foundation Items：The Hong Kong, Macao and Taiwan Science and Technology Cooperation Projects (2015DFT10170); The Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University (IRT1299); The Doctoral Fund of Chongqing University of Posts and Telecommunications (A2015-08)

TN828.6

1673-825X(2017)02-0176-06