高隔离度滤波MIMO天线研究

付元旭,梁志茂

(云南民族大学 电气信息工程学院，云南 昆明 650500)

MIMO技术在无线网络中被广泛应用以增加通信系统的信道容量，主要采用802.11协议.而相邻的2个辐射单元之间不可避免的相互耦合从而影响整个天线的性能.影响相邻天线的接收.对此MIMO天线的研究集中在相邻天线之间的去耦方式，目前去耦的方式共有6类方式，增加MIMO天线的物理距离和改变几何排布[1]，加载谐振器去耦[2-4]，部分延伸接地平面与缺陷地结构去耦[5]，寄生单元去耦[6]，中和线去耦[7]，去耦网络去耦[8].以上去耦方法中加载谐振器去耦结构较为简单，应用比较广泛，但同频段去耦方式单一，去耦隔离效果差，所以文中提出用滤波谐振去耦的新方法.采用滤波原理去耦同频相邻辐射单元，去耦隔离度达到 -40 dBi(4.2～5 GHz，6．1～6．7 GHz).

1 滤波高隔离度的原理

1.1 模型介绍

图1是MIMO天线辐射结构图，该天线采用微带馈电，采用玻璃纤维环树脂覆铜板(FR-4)的材质作为介质板，该材料结构简单，容易加工.中间部分就是滤波微带线，两边是独立的微带天线，通过微带滤波线去耦2个独立微带天线，2个辐射贴片尺寸相同，馈电位置及尺寸也相同.

图1 MIMO 天线辐射层结构

利用滤波原理计算滤波阶数，并通过滤波阶数计算滤波的参数，计算微带线宽度W1，W2，W3和微带线之间的距离S1，S2，S3.依据滤波理论求出以上参数需要计算几阶滤波器，求出耦合系数(自身耦合和带外耦合)，计算微带滤波的间距，计算微带滤波宽度.

1.2 微带滤波原理

计算几阶滤波器[9]，也就是需要多少微带线.公式(1)中n是滤波阶数，f1是上边带截止频率，f2是下边带截止频率，ε是带内衰减系数，a是带外抑制系数.

(1)

(2)

通过公式(2)计算自耦系数Ci(C0,C1,…,Cn+1)，如公式3所示，通过公式(3)求解公式(4)中的互耦系数Ci,i+1(C0,1,C1,2,…,Cn,n+1).

(3)

(4)

公式(5)计算微带天线的距离si-1,i(s1,2,s2,3,…,sn,n+1)，t是调节系数，B是带通滤波的带宽.公式(6)计算微带宽度W(W0,W1,…,Wk).

(5)

(6)

通过计算n=5，微带宽度及间隙如表1所示.依据计算结构微带滤波隔离是一种对称结构，图1所示结构，去耦同频辐射单元的干扰程度.

表1 微带宽度及间隙

2 滤波MIMO隔离度分析

2.1 滤波MIMO天线S参量分析

这里采用HFSS仿真对文献[2-3]及滤波MIMO天线的参数S11(反射系数)，S12(隔离系数)进行分析.如图2所示，文献[2-3]和滤波MIMO天线之间S参数对比图，从图中文献2的S11反射系数是 -35 dB 低于文献3.文献2的隔离度S12是 -34 dB 也低于文献3.则滤波MIMO天线是双频微带滤波天线，S11反射系数谐振频带分别为4.1～5.1 GHz 和6.3～6.5 GHz，带宽分别为23% 和4%.滤波MIMO天线的反射系数S11适中，但隔离度S12较高可以达到 -40 dB，相对于文献2和文献3隔离度高出5～8 dB.所以采用滤波微带隔离可以有效的改善相邻辐射干扰，增加相邻辐射单元的隔离度.

图2 滤波MIMO天线、文献2和文献3的S参数图

2.2 滤波MIMO天线ECC参量指标分析

ECC是MIMO天线测试2个辐射单元相关性及耦合特性，ECC一般的区间范围为0～0.03 mag 范围内波动，如图3所示滤波MIMO、文献2和文献3均低于 0.03 mag，特别是滤波MIMO的ECC在0.004～0.01 mag 之间波动，在谐振频率范围内波动系数小于 0.06 mag.具有较好的隔离效果，证明采用滤波微带可以有效隔离相邻辐射单元的耦合.

图3 滤波MIMO天线、文献2和文献3的ECC图

(7)

图4是描述中心频率 4.5 GHz 和 6.3 GHz 情况下的滤波MIMO天线辐射方向图.依据XOZ与YOZ的结果曲线，辐射方向为定向天线，辐射增益超过 5.5 dBi.表明滤波MIMO天线具有定向辐射和稳定的增益.所以该天线具有良好的辐射性能.

(a) 4.5 GHz辐射结果 (b) 6.3 GHz辐射结果

表2是文献2、文献3和滤波MIMO天线的对比列表，天线尺寸、工作频段、天线增益、隔离度及ECC进行对比，滤波MIMO天线均优于以上2种天线.采用微带滤波可以有效实现同频滤波及去耦功能.

表2 天线参数比较

3 结语

本文采用滤波原理实现同频滤波及去耦功能，实现加载谐振线去耦的新方法，通过理论验证及HFSS仿真实现天线的隔离滤波功能，使天线发送和接收在4.2～5 GHz 和6.1～6.7 GHz 之间不存在相互干扰，其MIMO天线增益达到 7.5 dBi，隔离度达到 -40 dB.为以后大规模集成MIMO天线提供理论研究基础.该天线具有结构简单、易加工、便于集成电路等特点，具有一定工程应用价值.