基于圆孔超表面材料的MIMO天线互耦缩减

2020-12-26安永丽白军影

华北理工大学学报(自然科学版) 2020年1期

安永丽,白军影

(华北理工大学人工智能学院，河北唐山 063210)

0引言

随着国民经济的飞速发展和科学技术水平的不断提高，通信技术发展迅速。5G通信技术使得信息传输速度得到了有效提升。移动通信的需求越来越趋向于更大容量，更高传输速率和更好的服务质量。随着5G通信技术进一步的扩展，无线终端天线的发展越来越趋向于宽频带，多频带和更高的性能。采用多输入多输出(MIMO)的技术能够提高信道容量和信道传输的可靠。

为了提高天线单元之间的隔离度，研究人员采用了大量的相关技术，如采用超材料结构来提高其天线单元之间的隔离度。采用阵列形式的MIMO天线，由于其天线单元相距很近，所以会产生较强的耦合，耦合电流会直接影响天线的辐射特性[1]。在小尺寸移动通讯设备中，由于受限于整机的尺寸，往往无法提供足够大的间距来减弱天线之间的耦合。因此，如何尽可能多地在有限的空间内放置具有较高隔离度的MIMO阵列天线成为迫切需要解决的问题。而对超材料MIMO天线进行耦合缩减可以有效地提高天线单元的隔离度。

增益表示在相同的输入功率下，实际天线和理想的辐射单元在同一点处产生的信号密度之比。增益可以表示输入功率集中辐射程度。增益和天线的方向图之间有很大的联系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，则增益越高[2]。天线增益是衡量天线最重要的参数之一，它对通信系统的运行质量非常重要，提高天线增益，可以增大某个方向上的信号辐射范围，或者在范围不变的情况下，在该范围内大大提高信号强度。增加天线增益可以减少双向系统增益预算余量。当某种辐射源向空间发射能量的时候，在理想情况下，能量会按照球状体散射开来，通过实践和研究我们发现，如果这种能量朝着一个方向集中发射，则能量所到达的距离及该方向辐射的范围都会大大提高。把这种研究和发现应用到无线通信系统中，天线增益可以定量的描述天线把输入功率(能量)集中辐射的程度，从通信的角度我们可以这样理解为在某个方向和范围内产生信号的能力大小[3-6]。

1超材料

超材料是一种人工复合材料，可以通过周期型的金属及介质排布实现。超材料异于传统材料的新颖特性，使其备受关注。在天线、微波电路、雷达、吸波材料和隐身斗篷等领域有很大的应用[7]。

超材料是一种具有负的介电常数和磁导率的人工材料。相比于传统的右手材料，左手材料能提供一些比较奇特的电磁特性。在进行天线的设计过程中，通过加载超材料结构可以大大提高天线的性能指标。会对天线增益、工作带宽、提高辐射效率、降低谐振频率、减少天线尺寸等方面都有很大的改善作用。因此将超材料结构应用在天线设计中成为当前的研究热点。在有限的空间内加载超材料可以大大提高天线的隔离度。

2圆孔超表面结构单元设计

圆孔超表面结构单元平面图如图1所示，调整其结构尺寸，使其工作在2.45 GHz的频率下，在20 mm×20 mm×1 mm的聚四氟乙烯介质基板上介电常数(r=4.6)损耗正切值( tanδ=0.019)上蚀刻超材料单元，其具体仿真模型图如图2所示。

图1 圆孔超表面结构的平面图图2 圆孔超表面结构的仿真模型图

天线之间的耦合情况和仿真的S参数有关。假设电磁波沿x轴方向入射，磁场沿y轴方向，电场沿z轴方向。该模型能够沿x方向对均匀平面波照射中的超材料的S参数进行有效仿真，再利用参数反演技术，可以得到传输特性与S参数有关。s11表示反射系数，s21表示传输系数，s21与系数T之间的关系如下式(1)所示。

s21=Teik0d

(1)

其中：k0表示自由空间的入射波波束，d表示介质板的厚度(mm),R01表示与阻抗相关的式子。反射系数s11与折射率n和阻抗z之间的关系如下式(2)所示。

(2)

s21与折射率n和阻抗z之间的关系可以用式(3)、式(4)表示。

(3)

(4)

联立公式(1)～(4)可以推导得出式(5)、式(6)。

(5)

(6)

该项目研究的超材料是一种被动介质，需要满足以下条件：

Re(z)≥0

(7)

Im(n)≥0

(8)

其中：Re(z)表示阻抗的实部；Im(n)表示磁导率的虚部。

结合以上关系式，推导得出折射率n的关系式如式(9)所示。

(9)

通过式(1)～式(9)得到影响超材料性能的2个重要因素s11和s21。图3所示为圆孔超表面材料单元仿真的s21图形。可以得出，频率在2.45 GHz的情况下，超材料的磁导率为负值，说明圆孔超表面结构具有超材料特性。

图3 圆孔超表面仿真s21参数图形

3加载圆孔超表面结构单元

将圆孔超表面结构单元加载在2个偶极子天线之间，工作频率为2.45 GHz，采用尺寸为80 mm×160 mm×1mm的聚四氟乙烯介质基板(r=4.6)，在介质基板上蚀刻圆孔超表面结构单元。通过调整其结构尺寸，使其工作2.45 GHz的频率下。整体的平面图和模型仿真结果如图4所示。

图4 圆孔超表面结构单元图

通过仿真可以得到圆孔超表面加载在2个偶极子天线之间的参数图形，s11和s22表示波不通过传输线，直接在天线馈电处对天线进行激励，在仿真软件中，一般天线馈电处采用端口激励，此处认为端口已匹配好；若在该端口监测到反射波，那么这个反射波也不是由于该端口处没有匹配好造成的，而是由于在波传播方向上天线阻抗不匹配以及环境的反射所致。

s11或s22属于参数指标，表示回波损耗特性，一般通过网络分析仪来看其损耗的dB值和阻抗特性。此参数表示天线的发射效率，参数值越大，表示天线本身反射回来的能量越大，这样天线的效率就越差。图5所示为加载圆孔超表面结构单元的s11和s22参数图形，图6所示为加载圆孔超表面结构单元的s21参数图形。