具有三陷波特性的高隔离度紧凑型UWB-MIMO天线

李艳玲， 陈新伟， 苏晋荣

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006)

0 引 言

近年来， 高数据速率1 GB/s的新兴家庭视听(Audio/Visual, A/V)网络需要支持多个高速高清电视(High-definition Television, HDTV)A/V流， 这对无线通信技术提出了严峻的挑战[1]. 研究表明， UWB结合MIMO技术是实现高数据速率的可行方法[2]. 然而， 联邦通信委员会(Federal Communications Commission , FCC)指定的商用UWB系统的频谱为 3.1 GHz～10.6 GHz[3]， 该频段覆盖窄带全球微波接入系统(WiMAX 3.5 GHz)、 无线局域网(WLAN 5.2/5.8 GHz)、 X波段卫星通信系统(X-波段 7/8 GHz)等频段. 因此， 在超宽带MIMO系统中， 需要抑制这些频段带来的电磁干扰. 此外， 设备的小型化正在推动UWB-MIMO系统的小型化， 进而对天线提出紧凑化的要求. 因此， 如何在狭小空间内使辐射单元间具有较高的隔离度， 成为MIMO天线设计中的棘手问题之一.

为提升隔离度， 人们提出了多种方法， 包括分集法[4]、 使用缺陷接地结构(defective ground structure, DGS)[5]、 添加寄生枝节[6-7]、 使用电磁带隙结构(electromagnetic band-gap, EBG)[8]、 中和线法[9]、 加载超表面[10]等. 其中， 文献[4]将辐射单元正交放置， 实现天线分集， 将隔离度提升至-22 dB； 文献[5]利用有T型槽和线状缝隙的缺陷地结构， 将隔离度提升至-18 dB； 文献[7]在接地板上添加L型枝节， 使辐射单元之间的耦合减少到-20 dB； 文献[8]在两辐射单元之间插入电磁带隙结构， 使天线在3.48 GHz和4.88 GHz处隔离度分别提升到-26 dB和-44 dB； 文献[9]用带有环状圆盘的中和线连接两个单极子， 激励端口的电流和中和线引入的电流中和抵消， 使天线在3.1 GHz～5 GHz带宽内隔离度达到-22 dB； 文献[10]在辐射贴片上加载由不同长度的非均匀切割线组成的超表面， 将2.5 GHz～2.7 GHz和3.4 GHz～ 3.6 GHz两个频段的隔离度提高到-25 dB. 此外， 人们也提出了多种引入陷波的方法， 包括蚀刻缝隙法[11-12]、 设置EBG结构[13]、 添加寄生枝节[14]、 采用新型辐射贴片形状[15]、 添加开口谐振环(split ring resonator, SRR)[16]等. 其中， 文献[12]在贴片和接地板上刻蚀 L型， U型， H-L型缝隙； 文献[13]在单极子周围设置EBG结构， 均产生了WiMAX， WLAN， X波段3段陷波； 文献[14]在接地板上延伸矩形枝节， 产生WLAN陷波； 文献[15]将辐射贴片设计成了G型结构， 不仅可实现2.2 GHz～13.3 GHz的宽带辐射， 还可产生WLAN陷波； 文献[16]在微带线两侧放置两个大小不同的开口谐振环， 实现了WLAN和X波段两段陷波. 上述方法为陷波超宽带天线的设计提供了重要参考.

本文旨在保证天线小型化的前提下， 实现高隔离度三陷波特性. 通过在辐射贴片上刻蚀倒 L型缝隙实现了WLAN(5.09 GHz～6 GHz)和X波段(7.17 GHz～7.94 GHz)陷波； 在接地板上延伸带有弯折的寄生枝节， 实现了WiMAX(3.21 GHz～4.08 GHz)波段陷波. 此外， 为提升低频处隔离度， 在接地板上刻蚀双频解耦缝隙， 将4.5 GHz和6.5 GHz处的隔离度分别提升至 -20 dB 和-35 dB.

1 天线设计与分析

1.1 天线结构

本文设计的高隔离度三陷波紧凑型UWB-MIMO天线结构如图 1 所示， 天线印刷在厚度为0.8 mm的FR4介质基板上， 其介电常数εr=4.4， 损耗正切tanδ=0.02， 天线的尺寸为 22 mm2×29 mm2， 仿真优化后的几何参数具体尺寸如表 1 所示.

图 1 天线的几何结构Fig.1 The geometry of the antenna

表 1 天线参数Tab.1 The parameters of the antenna

图 2 展示了天线的设计过程， 包含超宽带的实现、 陷波的实现以及隔离度的提升3步. 最初的天线由两个单极子和矩形接地面组成， 其辐射贴片由半圆和矩形组成， 对称分布在介质基板上表面， 并对其进行微带线馈电； 矩形接地板分布在介质基板下表面， 如图2(a)的天线1所示.

图 2 天线的设计过程Fig.2 Design process of the antenna

为展宽低频段带宽， 从接地板中间延伸出T型枝节， 如图2(b)的天线2所示； 为抑制对窄带通信频段的干扰， 在接地板上延伸带有弯折的枝节并刻蚀两个对称的L型槽， 实现了WiMAX陷波， 在天线辐射贴片上蚀刻两条长度不同的倒 L型缝隙产生了WLAN和X波段两个陷波， 如图2(c) 的天线3所示. 最后， 为进一步减少低频段耦合， 在T型枝节上刻蚀了双频解耦缝隙. 该缝隙由U形缝隙和细长矩形缝隙组成， U形缝隙在开口处向下弯曲， 长矩形缝隙从U形缝隙的底部向上延伸， 如图2(d)的天线4所示.

图 3 是上述4个天线的|S11|和|S21|仿真结果.

(a) |S11|

(b) |S21|图 3 天线的S参数Fig.3 S-Parameters of the antenna

从图3(a)中可以看出， 接地板的T型枝节很好地展宽了天线8.7 GHz以下的带宽， 其|S11|在-10 dB以下， 实现了3.03 GHz～11.6 GHz的超宽带. 枝节及缝隙的设计实现了3个陷波， 分别为3.21 GHz～4.08 GHz， 5.09 GHz～6 GHz和 7.17 GHz～7.94 GHz， 相应中心频点处的|S11|均在-5 dB以上； 图3(b)中， 接地板延伸T型枝节后， 将3 GHz～6 GHz的隔离度提升至15 dB以上， 刻蚀解耦缝隙后， 进一步提升了4 GHz～6 GHz 处的隔离度. 这样， 在工作带宽范围内， 天线隔离度|S21|均达到20 dB以上.

1.2 陷波原理分析

为解释陷波产生原理， 本文分析了3.5 GHz, 5.5 GHz和7.4 GHz处的天线表面电流分布， 如图 4 所示. 此时端口1被激励， 端口2接50 Ω负载. 从图 4 可以看出， 在5.5 GHz和7.4 GHz处， 表面电流分别集中在长L型缝隙和短L型缝隙处； 在3.5 GHz处， 表面电流集中在弯折的寄生枝节和T型枝节产生的缝隙处. 两个倒L型缝隙及枝节的长度分别近似等于5.5 GHz， 7.4 GHz 和3.5 GHz对应波长的1/4， 在这些频点处产生谐振， 而缝隙两侧表面电流流向相反， 其产生的辐射相互抵消， 形成窄带抑制， 进而形成3个陷波.

图 4 MIMO天线在三陷波频点处的表面电流分布Fig.4 Surface current distributions of the MIMO antennaat triple notched frequencies

1.3 解耦原理分析

通过在接地板上延伸T形枝节和刻蚀双频解耦缝隙， 减少了辐射单元间的耦合. T形枝节起到反射作用， 将激励单元的辐射反射， 从而减少耦合[14]. 为解释解耦缝隙的去耦原理， 图 5 展示了端口1被激励， 端口2接50 Ω负载时， 天线在4.5 GHz和6.5 GHz处添加解耦缝隙前后的表面电流分布. 在4.5 GHz处， 添加解耦缝隙后电流主要集中在整个解耦缝隙处， 呈J型对称分布， 耦合到非激励端口的电流较加解耦缝隙前明显减少. 在6.5 GHz处， 添加解耦缝隙后电流集中在解耦缝隙底部的U型缝隙处， 非激励辐射单元几乎没有电流分布. 上述J型结构长度为19.9 mm， 约为4.5 GHz对应波长的1/2； U型缝隙的长度为15.8 mm， 约为6.5 GHz对应波长的1/2， 这样， 在4.5 GHz和6.5 GHz处分别产生谐振， 减少了耦合到非激励辐射单元的表面电流， 从而提升了辐射单元间的隔离度. 添加解耦缝隙后的S参数如图3(b)所示， 4.5 GHz和6.5 GHz频点处的 |S21| 分别提升至-20 dB和-35 dB， 使天线在有效工作带宽内|S21|均小于-20 dB.

图 5 天线有无解耦缝隙的电流分布图Fig.5 Current distributions of the antenna with andwithout a decoupling slot

2 结果与讨论

为验证仿真结果的正确性和天线的实际价值， 按照表 1 中的尺寸加工了该天线， 如图 6 所示. 利用矢量网络分析仪对天线进行测量， 得到了其S参数. 此外， 天线的辐射模式也在微波暗室中进行了测量. 由于两辐射单元相对称， 接下来的测试和仿真结果中， 均以激励端口1为例进行分析.

图 6 天线的实物图Fig.6 Fabricated prototype of the antenna

2.1 S参数

图 7 为仿真和测试的S参数.

图 7 天线测试和仿真的S参数Fig.7 Measured and simulated S-parameters for the antenna

可以看出， 测试结果和仿真结果吻合较好. 测试的|S11|宽带范围为3.1 GHz～10.6 GHz， 同时具有3.3 GHz～3.8 GHz, 5 GHz～5.75 GHz和7 GHz～7.5 GHz 3个陷波. 从测试的|S21|可以看出， 天线隔离度均大于20 dB， 表明天线具有较好的隔离度.

2.2 辐射性能

图 8 展示了MIMO天线在5GHz处的三维辐射方向图， 从图中可以看出， 当端口1和端口2分别被激励时， 天线分别会沿着-y轴和+y轴定向辐射， 辐射单元2的最小电场方向与辐射单元1的最大电场方向一致， 使得辐射模式之间的重叠可以忽略不计， 从而使两辐射单元之间呈现低相关性， 增加天线单元之间的隔离度.

图 8 5 GHz处的三维辐射方向图Fig.8 3-D radiation patterns at 5 GHz

图 9 为天线在5 GHz, 7GHz和9GHz处的端口1激励下的yz面和xy面的仿真和测试的平面辐射方向图. 从图 9 中可以看出， 随着频率增大， 天线在yz面和xy面的方向图较为稳定.此外， 天线的xy面方向图在φ=270°左右增益达到最大， 与上述三维辐射方向图比较吻合.

(a) 5 GHz

(b) 7 GHz

(c) 9 GHz图 9 归一化平面辐射方向图Fig.9 Normalized radiation patterns

图 10 展示了天线峰值增益以及辐射效率， 从图中可以看出天线的峰值增益在工作频带内从 0 dB 上升到5.8 dB， 平均辐射效率达到90%以上. 在3.5 GHz, 5.5 GHz和7.4 GHz处的陷波频段增益和辐射效率明显下降， 说明天线可以很好地抑制窄带干扰.

图 10 天线的峰值增益和辐射效率Fig.10 The peak gain and radiation efficiency of the antenna

2.3 分集特性

包络相关系数(Envelope Correlation Coefficient， ECC)是验证MIMO天线分集特性的重要参数. ECC 越小， 则表明天线单元间的分集性能更好. 可接受的ECC范围一般小于0.3. 本文天线的ECC利用下面公式进行计算：

图 11 天线的ECCFig.11 The ECC of the antenna

ECC的计算结果如图 11 所示. 可以看出， 除陷波频段外， ECC均小于0.005， 表明该天线两辐射单元间具有较低的相关性， 具有良好的分集特性.

3 结 语

本文设计了一种具有三陷波特性的高隔离度小型化UWB MIMO天线， 天线整体尺寸仅为 22 mm3×29 mm3×0.8 mm3， 通过刻蚀缝隙及延伸枝节的方式产生陷波， 并在接地板上延伸T型枝节， 同时刻蚀双频解耦缝隙实现了高隔离度. 仿真和测试结果表明， 天线的工作带宽覆盖了3.1 GHz～10.6 GHz， 隔离度高于20 dB， 且具有WiMAX， WLAN和X波段三段陷波. 天线在非陷波段辐射效率可以平均达到90%以上， ECC小于0.005. 该天线综合性能良好， 可很好地用于便携式UWB MIMO通信系统.