一种基于椎体振子的宽带MIMO天线设计

康志杰，马铁军

(河北远东通信系统工程有限公司，河北 石家庄 050200)

0 引言

随着轨道交通中车地间通信业务量的不断增加，现有的公网4G网络已无法承载大量业务数据的高速传输，为了给司乘人员提供更加优质、稳定的无线接入服务，进一步提升地铁列车乘坐期间的互联网使用体验，同时也为了达成智慧城轨的建设目标，推出一款可以同时兼容4G、5G两种通信制式的列车车载式宽频段MIMO天线已迫在眉睫。

天线作为无线通信系统中非常重要的一环，起到收发电磁波信号的作用，其性能指标的好坏会直接影响到整个系统的通信品质。因此，对于如何让天线保持宽工作频带的同时，还兼具小型化、高隔离度、低回波损耗等特点，成为许多国内外工作人员研究的重点。目前，地铁列车中的车地通信天线普遍采用鱼鳍天线的形式，该类天线具备高增益、小型化、低风阻等优点，但是其缺点也不容忽视，比如工作带宽窄、增益不够高、端口隔离度差、高频主波束方向容易发生偏移等。

本文提出了一种采用锥体振子为基本辐射单元的宽带MIMO天线，通过对锥体振子结构进行改进和增加金属隔离铜片的方式[1-5]，实现天线工作频段的拓展和振子间隔离度的提升，更好地满足轨道交通车地间的通信需求。

1 椎体振子结构设计

普通的单锥体天线由无限双锥天线依据镜像原理演变而来，可以在较小物理尺寸下实现一定的宽带性能。通过使用连续阻性加载[6-10]的方法，吸收因天线辐射体末端阻抗不匹配产生的反射波，提高天线的行波特性，降低阻抗失配造成的影响，可以进一步拓展天线的工作带宽。

本文在此基础上，创新性地采用半圆形椎体[11-15]振子结构，同时在振子天线的馈电端增加了阻抗匹配转环节[16-18]，实现椎体辐射面的平滑过渡，降低因结构不连续性导致的电磁波反射，使得天线的宽带性能进一步得到提升。同时，针对半圆形椎体振子本身回波损耗较高的问题，采用在椎体振子半圆形弧面和金属地之间增加金属接地柱的方法，提升椎体振子天线的感抗、抵消容抗，降低振子的回波损耗，椎体振子天线的三维结构模型如图1所示。

图1 椎体振子的三维结构模型Fig.1 3D model of conical element

椎体振子的外形结构如图2所示，各项结构参数初始值设定如表1所示。其中：d1为天线馈电内芯直径，d2为阻抗匹配转环节下端口直径，d3为天线介质层与阻抗匹配转环节下端口半径差值，d4为阻抗匹配转环节上端口与天线介质层半径差值，d5为半圆形金属辐射体内壁与阻抗匹配转环节上端口半径差值，d6为金属辐射体内外半径差值，d7为金属辐射体上边沿宽度，d8为金属接地柱直径，d9为金属辐射体圆心与金属接地柱圆心的距离。h1为金属辐射体上边沿厚度，h2为天线馈电内芯高度，h3为金属辐射体上沿与金属地的距离。

(a) 椎体振子水平视图

表1 椎体振子的结构参数Tab.1 Structure parameters of conical element 单位：mm

2 椎体振子的仿真分析

使用Ansoft HFSS对椎体振子的回波损耗性能进行仿真分析(仿真所用底板尺寸为336 mm×336 mm)，结果如图3所示。仿真结果表明，在椎体振子半圆形弧面和金属地之间添加金属接地柱后，其回波损耗性能在0.7～4 GHz的仿真频段内普遍得到了优化，其中回拨损耗低于-10 dB的带宽占比96%、低于-15 dB的带宽占比84%、低于-20 dB的带宽占比71%。尤其是在0.8～1 GHz的频率范围内，回波损耗由原来的-2～-6 dB降低为-10～-25 dB，有效提高了椎体振子在Band5(824～894 MHz)和Band8(880～960 MHz)这2个低段4G频点的辐射性能。

图3 椎体振子的回波损耗Fig.3 Return loss of conical element

为了进一步对椎体振子天线的性能进行分析和优化，接下来利用Ansoft HFSS的变量扫描分析功能，以d8、d9两个结构参数作为变量，研究分析其对椎体振子天线回波损耗性能的影响。

2.1 金属接地柱直径d8对振子性能的影响

保持椎体振子天线各项结构参数不变，将金属接地柱的直径d8作为变量，对d8分别为4,6,8,10 mm时，椎体振子天线的回拨损耗性能，进行仿真分析。仿真结果表明,随着金属接地柱直径的变小，椎体振子的回拨损耗也可以得到有效降低，当d8=4 mm时，回波损耗最低可达-27 dB。但是相对于6 mm，d8=4 mm时对回拨损耗的改善已经非常微小，且在0.9～1.2 GHz、3.4～4 GHz两个频段出现性能指标恶化。考虑到金属接地柱直径太小会导致加工难度增大、不同振子的性能一致性变差等因素，采用d8=6 mm作为最终的金属接地柱直径，相比于d8=10 mm，天线的回拨损耗可以得到非常显著的改善。椎体振子天线回波损耗与d8的仿真结果如图4所示。

图4 回拨损耗与d8的关系Fig.4 Relationship between return loss and d8

2.2 圆心间距d9对椎体振子性能的影响

根据2.1节的仿真结果，将金属接地柱的直径d8设置为6 mm，同时保持其余的各项结构参数指标不变。利用Ansoft HFSS的变量扫描功能，对金属辐射体圆心与金属接地柱圆心的间距d9分别为15，18，21 mm时，椎体振子天线回拨损耗性能的变化，进行进一步的仿真分析。仿真结果表明，随着辐射体圆心与接地柱圆心间距的不断变大，回拨损耗也可以得到有效的降低，相比于15 mm，d9=21 mm时回拨损耗可以有效改善3～13 dB。因此，采用可允许的最大间距d9=21 mm作为最终的圆心间距。回拨损耗与d9的仿真结果如图5所示。

图5 回拨损耗与d9的关系Fig.5 Relationship between return loss and d9

2.3 椎体振子天线的方向图

为了进一步分析天线的方向性，为后续工程应用提供可参考的数据支撑，根据2.1节和2.2节的仿真结果，依据移动、联通、电信三大运营商现阶段常用的4G和5G频点信息，在0.7～4 GHz的工作频段内，选取4个主要频点，对椎体振子天线在这些频点的方向图进行仿真分析，所选取的主要频点信息如下：0.88 GHz(对应LTE-Band5和Band8频段)、1.9 GHz(对应LTE-Band3和Band39频段)、2.6 GHz(对应LTE-Band38和Band41、5G-N41频段)和3.5 GHz(5G-N78频段)。利用Ansoft HFSS的方向图绘制功能，对椎体振子天线在x-z平面、y-z平面的二维辐射方向图进行仿真，分析天线在上述4个频点的方向图情况，其仿真结果如图6所示。

仿真结果显示，由于采用了单侧添加金属接地柱的结构设计方法，导致椎体振子天线x-z平面的方向图呈现出不对称的形状，因此在实际的工程应用中，应将天线高增益的一侧朝向地铁轨旁的公网漏缆方向，以便获取更好的通信性能。同时，通过仿真结果可以明显看到，随着工作频率的提高，椎体振子天线的增益呈现出逐渐变大的趋势，天线整体增益保持在4.6～8 dBi的范围内，其中，0.88 GHz频点的最大增益为4.7 dBi，1.9 GHz频点的最大增益为6.6 dBi，2.6 GHz的最大增益为7 dBi,3.5 GHz的最大增益为7.9 dBi。

(a) 天线在0.88 GHz的方向图

3 天线设计与仿真

本文所设计的宽频带MIMO天线由4个第2节所述的椎体振子天线组合而成。为了进一步提高天线的工作性能，采用在椎体振子之间增加金属隔离铜片的方法，可以有效提高宽带MIMO天线端口间的隔离度。

宽带MIMO天线结构参数如图7所示，天线整体呈现中心对称结构，其中天线基板为336 mm×336 mm×3 mm的FR4板材，椎体振子分布在天线基板的4个边角，相邻振子的中心间距为240 mm，振子间3个隔离铜片的长度分别为20,60,20 mm，隔离铜片间距为20 mm，天线可实现4通道的MIMO效果。天线端口间隔离度的仿真结果如图8所示。仿真结果显示，增加金属隔离铜片后，宽带MIMO天线相邻端口间的隔离度在整个频带内(0.7～4 GHz)可以得到显著的改善，改善程度在10 dB以上的带宽占比可达50%以上。

图7 MIMO天线的结构参数Fig.7 Structural parameters of MIMO antenna

图8 MIMO天线端口隔离度Fig.8 Port isolation of MIMO antenna

4 天线隔离度测试

对加工后的天线进行相邻端口间隔离度测试，并将实测值与仿真值进行对比，结果如图9所示。可以看到，端口隔离度的实测值与仿真值整体变化趋势相同，由于加工工艺、焊接工艺、材料质量等方面的原因，实测值和仿真值有所差别，但与不加金属隔离铜片相比，仍有明显提升。

图9 天线端口隔离度实测结果Fig.9 Test results of antenna port isolation

5 结束语

本文对传统意义上的单锥天线进行结构上的创新与改进，通过使用连续性渐变转环节，拓展椎体振子的工作带宽，通过在振子半圆形弧面和金属地之间增加金属接地柱，有效降低椎体振子的回波损耗。通过Ansoft HFSS对关键性能指标进行扫描分析，得出最优的结构参数，提升了单一椎体振子的工作带宽、回波损耗等性能参数。基于改善后的椎体振子，设计了一款4通道宽带线极化MIMO天线，该天线工作于0.7～4 GHz，可覆盖现阶移动、联通、电信主要的4G和5G频点，同时可以有效解决运营商在2G退网后，将现有2G频点用作4G，导致车载天线无法在新4G频点中使用的问题，在轨道交通和其他有大量公网业务传输需求的行业中，具有非常良好的应用前景。