具有双陷波特性的UWB-MIMO天线

南敬昌 李文佳 高明明，2

（1.辽宁工程技术大学电子与信息工程学院，葫芦岛 125105；2.大连海事大学信息科学技术学院，大连 116026）

引 言

随着智能家居和家庭数字娱乐中心的兴起，各种无线接入技术得到了迅速的发展[1].超宽带(ultra wideband, UWB)通信系统由于其具有高数据传输速率、低复杂度、低成本和高精度等优势引起了研究者的关注[2].但是，在UWB天线设计方面，要实现良好的天线带宽、高辐射效率和恒定增益，需要最大程度地减少来自附近窄带系统的电磁干扰，同时还需要解决系统由于信号反射和衍射所引起的多径衰落效应[3].可行方案为，设计具有频段陷波特性的UWB多输入多输出(UWB multiple-input multiple-output,UWB-MIMO)天线[4].文献[5]通过刻蚀两个开口环谐振器(split ring resonator, SRR)槽，实现了陷波频段为5.1～6 GHz 的UWB-MIMO天线，天线尺寸为48 mm×48 mm.文献[6]通过在辐射贴片上添加矩形开口槽，有效抑制了5.15～5.85 GHz频段的窄带特性，天线尺寸为46 mm×46 mm.文献[7]提出了一款用于移动终端的G形UWB-MIMO天线，通过在正方形单元上方形成G形结构，对4.4～6.2 GHz频段进行了陷波处理，天线尺寸为50 mm×82 mm.文献[8]设计了一种单阻带UWB-MIMO天线，通过在天线单元上刻蚀U形凹槽，有效抑制了WiMAX频段的干扰，天线尺寸为69 mm×38 mm.文献[9]提出了一种双极化单平面UWB-MIMO天线，通过在每个天线元件上刻蚀一个U形缝隙来实现无线局域网(wireless local area networks, WLAN)频带上的陷波，天线尺寸为50 mm×45 mm.但是，文献[5-9]这些天线结构只有一个陷波频带，且都具有较大的尺寸，不够紧凑，无法用于便携式设备中.因此，设计涵盖整个工作频带的紧凑的多陷波UWB-MIMO天线成为重要的研究方向[10].

通过使用MIMO技术可以实现天线的分集性能，并减轻多径衰落的影响[11].但是，减小MIMO天线的尺寸通常会减小天线的工作带宽，且天线元件之间的耦合会变强，如果不采取进一步措施，MIMO天线将无法达到良好的隔离度和较宽的工作频带[12].文献[13]提出了一种双频带MIMO天线系统的小型化设计，通过使用金属化通孔短路到接地平面的十字形金属条，以提高隔离度，然后使用高度为2 mm的金属化墙来进一步增强隔离效果.文献[14]提出了一种紧凑的多频带UWB-MIMO天线，通过在天线上加载以环形排列的SRR实现了天线尺寸和隔离度的良好平衡.文献[15]提出了一种栅栏式去耦结构实现高隔离度的UWB-MIMO天线.栅栏型去耦结构主要由许多大小相等的狭缝组成，狭缝相当于一个带阻滤波器，可以有效地削弱端口之间的耦合度.文献[16]设计了一种新型的“ITI”形隔离结构并将其放置在贴片天线之间，可以有效改善天线单元之间的隔离度.但是文献[13-16]中天线隔离结构设计相对比较复杂，大多数去耦结构占用的空间依然太大，不适用于小型MIMO天线通信系统.

为了解决上述问题，本文提出了一种紧凑的双陷波UWB-MIMO天线.采用改进的叠加T型去耦结构有效改善了天线端口之间的隔离度，为了在WLAN频段(5.15～5.85 GHz)和卫星X波段(7.25～7.75 GHz)实现双频段陷波，在天线上刻蚀C型槽和U型槽，通过改变C型槽和U型槽的尺寸来调整阻带.接地平面中的矩形开槽有助于增强天线的较低频段带宽，从而扩宽天线带宽.在整个UWB频段中，天线单元之间的隔离度均高于15 dB.天线尺寸紧凑(41 mm×25 mm)，比文献[5-7]中的天线设计分别小56%、52%和75%，非常适合集成到便携式通信设备中.且提出的天线设计结构简单，易于制造.测试结果表明，所提出的天线具有相对稳定的全向辐射方向图，在工作频带上还具有良好的增益和辐射效率，且天线包络相关系数(envelope correlation coefficient, ECC)低于0.1.

1 天线设计

1.1 天线结构

本文设计的UWB-MIMO天线的几何形状如图1所示，结构尺寸为41 mm×25 mm×1.6 mm.在2.8 GHz时，两个单元中心之间的间距为 0.196λ0.天线采用FR4材质作为印制电路板(printed circuit board,PCB)进行建模并制作实物，该PCB的介电常数和损耗角正切分别为4.4和0.02.FR4基板被广泛用于PCB和天线设计，因其价格低廉在电子市场上很充裕，且其天线可以与其他电子组件集成在一起生产.天线的几何形状具有两个相同的辐射元件，并具有一个公共接地平面.通过对称放置在基板顶部的两个相同的正六边形辐射贴片以及位于基板底部的矩形接地平面来实现UWB，通过在接地平面开矩形槽，可以有效扩展天线低频频段带宽.为了实现阻带特性，减小对UWB频段的干扰，如图1(a)所示，在辐射器中蚀刻了一个倒C形槽，以在WLAN频段上获得带阻特性.同时，为了抑制卫星X波段的干扰，在矩形微带馈线的中部刻蚀了一个U形槽.为了实现良好的端口隔离度，在接地板上添加了叠加T型去耦结构，如图1(b)所示.图中，W和L分别为介质基板的长和宽；W5为正六边形辐射贴片的边长；L1和W1分别为馈线的长和宽；L2和W2分别为U型槽的竖边长和横边长；L3和W4分别为C型槽的竖边长和横边长；W3为C型槽的缺口的长度；Lg1和Wg1分别为背板矩形槽的长和宽；Lg5为矩形接地平面的宽；A为两个单元中心之间的间距；Lg2和Wg3分别为叠加T型的长和宽；Lg3和Lg4分别为叠加T型第一个横线和第二个横线的宽；Wg2为叠加T型竖线的宽.

图1 UWB-MIMO天线结构图Fig.1 The UWB-MIMO antenna structure

表1给出了UWB-MIMO天线结构的最终优化尺寸.

表1 UWB-MIMO天线尺寸Tab.1 Size of the UWB-MIMO antenna mm

1.2 天线的接地板结构设计

在便携式设备中，MIMO天线安装有多个辐射器会降低分集性能，存在强烈的相互耦合，对于高性能MIMO天线而言，始终需要低互耦.因此，MIMO设计中的主要挑战是在保持天线尺寸小的同时减少相互耦合.通过使用去耦结构可以减少相互耦合，但它在MIMO结构中占据了较大的空间.在本文提出的设计中，使用了一种简单的叠加T型去耦结构，可以有效地减少多个辐射器之间的相互耦合.图2为所提出天线的接地平面设计演进过程.首先，设计并仿真了一个简单的未添加去耦结构的天线以获得预期的结果，如图(a)所示；然后通过在接地平面中添加T型结构对其进行修改，如图(b)所示；最后T型结构进一步被修改为叠加T型去耦结构以获得更好的MIMO性能，如图(c)所示.

图2 天线接地平面的演化Fig.2 Evolution of the antenna ground plane

图3为天线接地板未添加T型结构、添加T型结构和添加叠加T型结构所对应的反向传输系数S12.可以看出：当天线接地板未添加T型结构时，天线在整个UWB范围内的隔离度很差；通过修改接地平面，在天线接地平面添加T型结构，可减少天线之间的相互耦合，使得中、低频段的隔离度满足要求，但高频频段的隔离度仍不能满足MIMO天线的性能要求；当在接地板平面上添加叠加T型结构时发现在整个频段范围内天线的S12参数均小于−15 dB，完全符合UWB-MIMO天线元件之间的隔离度要求.从上述分析可知，通过使用叠加T型结构充当反射器来分离辐射器之间的辐射，可以有效降低辐射器之间的耦合.

图3 不同的接地板结构对S12的影响Fig.3 Influence of different ground plate structures on S12

1.3 天线的陷波结构设计

为了抑制窄带系统的干扰，实现UWB-MIMO天线的双陷波特性，在天线辐射器和馈线上分别引入C形槽和U形槽，通过调整陷波结构的尺寸及其位置来确定要抑制的频率范围.图4为添加陷波结构前后的输入回波损耗S11对比结果.可以看出，引入陷波结构后天线产生了4.8～5.94 GHz和6.9～8.23 GHz两个陷波频段，有效抑制了WLAN频段和卫星X波段的干扰，同时天线的最低频段也得到了扩展，最终实现带宽为2.8～13.4 GHz.

图4 天线陷波结构对S11的影响Fig.4 The influence of antenna notch structure on S11

通过观察天线表面的电流分布可以进一步了解陷波产生原理以及陷波结构与陷波频段的对应关系.图5为激励端口1在3.8 GHz、5.5 GHz、7.5 GHz和11 GHz时获得的的天线表面电流分布.可以看出，在一个端口激励的任何频率点，连接到另一个端口的元件都具有较低的电流分布集中度，这表明UWBMIMO天线单极子元件之间的隔离性能良好，天线元件陷波结构附近的电流分布更加集中.在陷波频率5.5 GHz和7.5 GHz处，电流主要集中在C形槽和U形槽周围，天线在这些频率下不能有效地辐射，从而产生陷波.而在3.8 GHz和11 GHz频率处，表面电流均匀分布在天线的接地层、辐射器和馈线上，表明天线在整个通带频段上具有良好的UWB性能.从以上分析可知，C形槽和U形槽在陷波的形成中起着重要作用.

图5 不同陷波频率处天线表面电流分布Fig.5 The current distribution in antenna surface at different band-notched frequency

为了进一步了解C形槽和U形槽对陷波特性的影响，选择两个关键参数进行讨论，且更改一个参数后，其他参数保持不变.图6为U形槽长度L2对S11的影响.可以看出：将L2从5.3 mm增加到5.9 mm，第一个陷波频段发生了轻微的变化；第二个陷波频段变化比较明显，中心频率从8.2 GHz移到7.5 GHz.说明U形槽主要影响卫星X波段陷波频率.陷波的中心频率fnotch可由经验式(1)表示：

图6 L2对S11的影响Fig.6 Effect of L2 on S11

式中：c为光速；L为U形槽的总长度；εr为相对介电常数.

图7为C形槽长度L3对S11的影响.可以看出：L3从4.4 mm增加到4.8 mm，第一个陷波频段的中心频率从6 GHz移到5 GHz；第二个陷波频段并没有发生明显变化.说明C形槽主要影响WLAN波段陷波频率.

图7 L3对S11的影响Fig.7 Effect of L3 on S11

由以上分析可知，当一个陷波频段被调整时，其他陷波频段几乎不受影响.因此，每个陷波频段可以单独调整.

2 实验仿真与测量

2.1 S参数

为了进一步验证本文设计的UWB-MIMO天线性能，对天线进行实物制作并测量.图8给出了双陷波UWB-MIMO天线的实物图片.

图8 双陷波UWB-MIMO天线实物图Fig.8 Prototype of the dual band-notched UWB-MIMO antenna

通过使用矢量网络分析仪，测量了天线的S参数，S11和S12的仿真和测量结果如图9所示.测量结果表明，天线具有2.8～13.4 GHz的阻抗带宽(S11<−10 dB)，满足了UWB应用的带宽要求，并且2.8～13.4 GHz的互耦高于15 dB.在MIMO系统中，高于15 dB的互耦被认为在实际应用中是可以接受的.天线在4.8～5.94 GHz和6.9～8.23 GHz频段具有陷波特性以抑制WLAN频段和卫星X波段的干扰，陷波在中心频率处具有非常高的S11值，分别为−2.15 dB和−3.0 dB，表明抑制非常有效.

图9 仿真和测量的S参数Fig.9 S parameters for simulation and measurement

2.2 辐射特性

UWB-MIMO天线在不同频率下E面和H面上测得的二维辐射方向图如图10所示.可以看出，在低频频率4 GHz和中频频率6.4 GHz时表现出良好的辐射特性，在较高频率12.2 GHz时辐射方向图出现了畸变，这是由于高阶模导致了辐射波瓣的分裂.仿真和测量结果具有良好的一致性.

图10 天线方向图Fig.10 The antenna radiation pattern

图11为天线的峰值增益和辐射效率.可以看出：除陷波频带外的整个频带上测得的增益为2～6 dBi，陷波频带内增益分别降至−3 dBi和−3.8 dBi；天线的辐射效率和增益具有相同的变化趋势；除陷波频段外，所有UWB频谱的效率均保持在80%以上.

图11 峰值增益与天线效率Fig.11 The peak gain and radiation efficiency

2.3 分集性能

分集性能是MIMO天线的重要特性，两端口MIMO天线的分集性能可以通过ECC和分集增益(diversity gain, DG)进行评估.ECC用于测量天线元件之间的相关性，为了在MIMO天线元件之间实现更高的分集，MIMO天线元件必须满足ECC<0.5的标准[17].对于两端口MIMO天线，可以使用公式(3)来计算ECC，公式(4)计算DG.

天线的ECC和DG如图12所示.可以看出：除了陷波频带以外，整个通带带宽范围内的ECC都非常小(<0.025)；尽管ECC受这些陷波结构的影响，但在整个阻抗带宽上都小于0.1，所获得的ECC值较低，满足ECC<0.5的标准，从而在多径环境中产生较低的信号相关性；此外，天线的DG在整个阻抗带宽上都大于9.9 dB.结果表明，所提出的天线具有较小的ECC和较大的DG.因此，所提出的天线系统在整个工作频带上显示出良好的MIMO性能.

图12 天线的ECC和DGFig.12 Antenna envelope correlation coefficient and diversity gain

表2中列出了本文设计的双陷波UWB-MIMO天线与参考文献中天线的对比.从表2可以看出：与参考文献[6]、[7]相比，本文设计的天线结构更加紧凑、陷波结构更加简单、陷波频段更多；与参考文献[18]和[19]相比，在隔离度相同的情况下，本文实现了双陷波的特性、尺寸更小、带宽更宽；与文献[20]和[21]相比，本文设计的天线结构更加紧凑；与文献[22]相比，本文设计的天线不仅结构尺寸更加紧凑，而且隔离度更好.因此，从前面的讨论中可以清楚地看出，本文所提出的天线满足UWB-MIMO天线的隔离度要求.与表2所示的现有设计相比，本文设计的天线在尺寸和陷波频率方面都更好.但与参考文献[6]、[15]和[18]相比，本文的隔离度还有待提高.

表2 本文设计天线与文献中天线对比Tab.2 Comparison of antennas in references and this paper

3 结 论

本文提出了一种具有双频陷波特性的紧凑型UWB-MIMO天线.设计的天线可实现2.8～13.4 GHz的阻抗带宽，天线在4.8～5.94 GHz和6.9～8.23 GHz频段具有陷波特性以抑制WLAN频段和卫星X波段的干扰.通过在接地平面中使用简单的叠加T型结构，可改善端口隔离度，隔离度高于15 dB.并对天线的分集性能进行了研究.仿真和测试结果表明，该天线具有良好的辐射特性，稳定的增益和非常低的ECC.说明该天线结构紧凑，具有良好的MIMO性能，且易于设计和制造，可用于无线通信系统中.