一种高隔离度的三阻带超宽带MIMO天线设计

靳高雅,杜成珠,焦哲晶,杨福慧

(1.上海电力大学 电子与信息工程学院,上海 200082;2.中电科微波通信(上海)有限公司,上海 201802)

美国联邦通信委员会(FCC)批准3.1～10.6 GHz为民用超宽带频段以来,超宽带无线电技术越来越受到研究学者的关注[1]。随着科学技术的发展和人们生活水平的提高,对超宽带天线性能的要求也就越来越高。除了宽带、低成本、小型化、易集成等要求外,超宽带系统还要求具有滤波性能,以屏蔽民用超宽带频段范围内其他用途窄带通信的干扰。在超宽频应用范围内,现有的通讯系统包括5.15～5.35 GHz(WLAN)系统和3.4～3.69 GHz(WiMAX)系统等。因此,有必要给超宽带天线加入相应的阻带来解决这一潜在问题[2-3]。

随着第五代移动通信技术(5G)的出现,MIMO技术被广泛认为是研究最多的前沿技术之一。它可以有效地扩展系统的信道容量,提高通信质量。为解决MIMO天线单元间的耦合问题,学者们提出了一系列解耦的方法,例如文献[4]和文献[5]中采用的中和线技术、文献[6]中的地分支、文献[7]中的寄生贴片、文献[8]中的缺陷地结构及文献[9]采用超材料来进行天线设计等。文献[10-13]采用不同形状的辐射贴片,又通过改变摆放位置、增加中和线、隔离枝节进行解耦,最终达到了UWB-MIMO天线的工作要求,但是这些天线都没有对窄带通信的频段进行屏蔽,工作时极易受到干扰。文献[14]和文献[15]通过在贴片上分别开C型槽、L型槽,使天线在满足超宽带的前提下实现了单阻带和双阻带的特性,但面对众多的窄带通信频段,这些设计仍然无法满足需求。

基于上述研究,本文设计了一种以FR4为介质基板的三阻带超宽带MIMO天线。通过在U型辐射贴片上腐蚀两个C型槽及在馈线两侧增加两个对称的C型枝节来阻断WiMAX、WLAN和7.5 GHz-X波段的干扰,最后在接地板上引入一个T型隔离枝节,从而实现了高隔离的特性。实测结果表明:该天线在1.89～12.95 GHz工作带宽下可以有效隔离WiMAX、WLAN和7.5 GHz-X波段的干扰,端口隔离度均小于-20 dB,峰值增益可达6.94 dB。

1 天线结构设计

本文所提出的天线结构如图1所示。天线介质基板为FR4,相对介电常数为2.9,损耗角正切为0.002,厚度为0.8 mm。天线的整体尺寸(L×W)为58.4 mm×32.4 mm。

图1 天线的结构示意图Fig.1 Configuration of the proposed antenna

通过电磁仿真软件Ansoft HFSS 13对各天线参数的仿真和优化结果如表1所示。

表1 天线的尺寸Tab.1 Dimensions of the proposed antenna mm

天线的设计过程如图2所示。首先以两个半圆形单极子天线为基础,通过开U形槽和在半圆形辐射贴片的两侧增加两个相同的矩形贴片的方法延长了外围的辐射电流路径,从而拓展天线的工作带宽。为了将天线的工作带宽进一步拓宽,选择延长接地板上的电流路径,因此在馈线下方的接地板上增加了一个矩形贴片,并通过在这个矩形贴片上开槽的设计来达到超宽带的要求,从而得到了天线Ⅰ的结构。

其次为了屏蔽窄带通信频段WiMAX(3.4～3.6 GHz)和WLAN(5.15～5.825 GHz)的干扰,在天线Ⅰ的辐射贴片上刻蚀了两个C型槽,通过调整C型槽的位置和长度使其达到了两阻带的效果。为了隔离7.5 GHz-X波段的干扰,在馈线的两侧增加对称的C型枝节,从而实现了具有三阻带特性的天线Ⅱ。

最后为了使天线Ⅱ有较高的隔离性能,选择在接地板上引入一个T型隔离枝节来阻断两个天线单元之间的耦合电流,从而得到了天线Ⅲ,天线Ⅲ即本文最终所提出的天线。上述设计过程中的天线Ⅰ、天线Ⅱ、天线Ⅲ的S11和S21仿真曲线分别如图3和图4所示。

图2 天线设计过程Fig.2 Antenna design process

图3 设计过程中的S 11仿真结果Fig.3 Simulated results of S 11 in the design process

图4 设计过程中的S 21仿真结果Fig.4 Simulated results of S 21 in the design process

根据最终的优化模型,按照表1中的尺寸进行了天线加工,实物如图5所示。

2 仿真及实测结果

本文使用电磁仿真软件Ansoft HFSS 13对天线结构及参数进行了仿真分析,并且综合了天线实物的测试结果,对天线的S参数、电流分布图、辐射性能、增益及ECC进行了讨论。

图5 天线实物图Fig.5 Photograph of the fabricated antenna

2.1 尺寸参数

选择产生阻带结构的三个参数进行仿真分析。产生阻带的频段理论上取决于辐射贴片上所开C型槽的位置和长度。开槽的长度均按照阻带频点的四分之一波长来设计,当第一个C型槽的半径R1发生变化时,该天线的S11仿真数据如图6所示。从图6可以明显看出,随着半径R1的增大,3.5 GHz处的阻带慢慢向低频方向移动。同理,当第二个C型槽半径R2发生改变时,仿真结果如图7所示,5.5 GHz处的中频阻带也出现了同样的变化趋势。

图6 不同尺寸R 1的S 11仿真结果Fig.6 Simulated results of S 11 with different values of R 1

图7 不同尺寸R 2的S 11仿真结果Fig.7 Simulated results of S 11 with different values of R 2

为了隔离7.5 GHz-X波段的干扰,在馈线的两侧增加了对称的C型枝节,因此选择C型枝节长度相关的L11为变量进行讨论分析。仿真结果如图8所示,随着L11的不断增大,高频阻带的频率范围也在向低频方向移动。综上所述,当参数R1、R2、L11中一个参数发生变化时,该参数所对应的阻带频点也会产生相应的变化,而另两个阻带范围所受到的影响几乎很小,因此比较容易实现该天线的三阻带特性。

图8 不同尺寸L 11的S 11仿真结果Fig.8 Simulated results of S 11 with different values of L 11

2.2 S参数及电流分布图

图9为该天线仿真和实测的S11对比图。由图9可以看出,实测结果与仿真结果基本吻合。由于实测环境的影响和传输线的损耗,天线实测的低频阻带的范围达到了2.78～3.29 GHz,这与仿真结果相比略有变宽。在实测时,天线低于-10 dB的工作带宽达到了1.89～12.95 GHz,并且在2.12～4.09 GHz,5.18～5.92 GHz,7 GHz～8.35 GHz处形成了S11高于-10 dB的三个阻带,成功地抑制了WiMAX、WLAN和7.5 GHz-X波段的干扰,实测结果满足天线设计的预期要求。

图9 天线S 11的仿真与实测值Fig.9 Simulated and measured S 11 of the proposed antenna

图10为该天线仿真和实测的S21对比图。在仿真时,天线的S21值从9.62 GHz开始的高频部分接近-20 dB,但实测时这一部分的结果很明显比仿真结果好,高频部分实测甚至达到了-25 dB以下。该天线的实测隔离度整体达到-20 dB以下,这一结果要远高于MIMO天线隔离度低于-15 dB的一般要求。

图10 天线S 21的仿真与实测值Fig.10 Simulated and measured S 21 of the proposed antenna

由于MIMO天线端口的对称性,在分析天线的电流分布时,选择在左侧端口施加激励,右侧端口接50 Ω负载,此时左侧天线单元处于工作状态,仿真得到3.5,5.5和7.5 GHz三个阻带频点的电流分布图,结果如图11所示。从图11(a)可以看出,天线工作在3.5 GHz时,电流主要集中在较长的C型槽附近,因此在此处开槽可以有效在WiMAX频段形成阻带。

图11(b)为天线在5.5 GHz时的电流分布,此时电流主要集中在较短的C型槽附近,在此处破坏电流的流通路径形成了WLAN频段的阻带。图11(c)为天线在7.5 GHz时的电流分布情况,由图可知,此时在C型枝节上的电流很大,那么其阻抗几乎为零;其他部分的电流很小,那么其阻抗就很大。由于阻抗的不匹配从而在7.5 GHz-X波段生成了一个阻带。从图11中也可以看出,由于T型去耦结构的存在,右侧的天线单元上几乎没有产生耦合电流,从而验证了该MIMO天线具有良好的隔离性能。

2.3 辐射方向图

通过电磁仿真软件Ansoft HFSS 13和Satimo球面远场测量系统对本文提出的天线进行辐射特性的研究。当天线工作在4.5,6.5和9 GHz时,E面和H面仿真和实测辐射方向图如图12所示。在4.5 GHz时,天线E面的方向图为 “8”字状,双向辐射效果明显;在6.5 GHz时,E面的方向图呈现近 “8”字状,H面的方向图接近一个圆,基本可以满足全向性的要求;在高频9 GHz时,由于实测环境和误差导致了辐射效果有所恶化,但是整体仍可以满足要求。

图11 天线的电流分布图Fig.11 The current distribution map of the proposed antenna

图12 辐射方向图的仿真与实测结果Fig.12 Simulated and measured results of radiation pattern

2.4 增益

图13为该三阻带UWB-MIMO天线的仿真和实测增益对比图。从图中可以看出,由于测试环境和实际误差的存在,使实测的增益要低于仿真值,但是在3.5,5.5和7.5 GHz附近,可以看出天线的增益明显降低,这意味着该天线可以有效地隔离WiMAX、WLAN和7.5 GHz-X波段的信号,最大实测增益可以达到6.94 dB。

图13 增益的仿真与实测结果Fig.13 Simulated and measured results of gain

2.5 ECC

由于MIMO天线存在多条信道,因此可以采用包络相关系数(ECC)来判断天线单元间的相互依赖程度。当MIMO天线的信号在同向同性环境中传播时,其相关系数计算公式如下:

由于MIMO天线端口对称的特性,即S11和S22近似,S12和S21近似,因此将S11和S21仿真与实测结果代入式(1),最终的ECC曲线如图14所示。由于测试时的电缆损耗和环境影响,实测的ECC结果要差于仿真结果,但是在整个超宽带频段内其ECC值均小于0.05,这远远高于对MIMO天线的要求。

3 性能比较

将本文所提出天线与近几年文献所发表的UWBMIMO阻带天线在尺寸、带宽、阻带范围、隔离度、增益和ECC等方面进行了比较,如表2所示。通过表2对比可以看出,本文所设计的天线具有较宽的工作频带,较高的隔离度,并且可以同时阻断WiMAX、WLAN和7.5 GHz-X波段信号的干扰,峰值增益可达到6.94 dB。

图14 ECC的仿真与实测结果Fig.14 Simulated and measured results of ECC

表2 天线性能参数对比Tab.2 Comparison of antenna performance parameters

4 结论

本文设计了一种以FR4为介质基板的高隔离度三阻带超宽带MIMO天线。天线由两个水平放置的辐射单元组成,通过开槽和增加寄生枝节有效抑制了WiMAX、WLAN和7.5 GHz-X波段的干扰,并在地板上增加T型隔离枝节,从而大大提高了该MIMO天线的隔离性能。

实测结果显示,天线的工作带宽为1.89～12.95 GHz,分别在2.12～4.09 GHz,5.18～5.92 GHz,7～8.35 GHz处形成了三个S11高于-10 dB的阻带,工作频带内的端口隔离度均低于-20 dB。此外,对该天线也进行了远场辐射方向图、增益和ECC的仿真和实测,结果表明天线具有良好的辐射性能、较高的隔离性能和增益。该天线在可抑制窄带干扰信号的超宽带通信领域具有良好的应用前景。