面向5G 无线通信的紧凑型高隔离度双频MIMO 天线

林倍进, 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

第五代移动通信技术(5G)对系统容量和频谱效率提出更高要求, 多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术应运而生.MIMO技术在收发端放置多个天线, 在不增加系统带宽和发射功率的情况下, 可获得更大的系统信道容量和更高的传输速率[1].同时, 通信设备的便携式发展要求天线尺寸不断缩小, 甚至远小于其最低谐振频率所对应的自由空间波长.然而, 天线实现小型化的同时会导致MIMO天线辐射单元间的耦合更强.因此, 如何在保证小型化的同时降低天线单元间的耦合是MIMO天线的设计难点之一.

目前, 研究已报道的解耦方法主要有: 极化分集法[2], 引入中和线法[3], 采用缺陷地结构法[4-5],添加寄生枝节法[6], 加载电磁带隙结构法[7], 加载超材料或超表面法[8-10]等.其中, 文献[2]提出一种四单元MIMO天线, 通过正交放置天线单元实现11 dB的隔离度.文献[3]利用2条U型中和线分别连接2个辐射贴片, 使中和线引入的电流与非激励单元上的耦合电流中和抵消, 得到了25 dB以上的隔离度.文献[4]提出一种双频倒F型MIMO天线,在地板上刻蚀倒T型槽, 并延伸出弯折线谐振器对2个频段解耦,2个频段隔离度均提升至15 dB以上.文献[5]在地板上刻蚀长度为对应频率1/4波长的矩形缝隙实现14 dB以上的隔离度.文献[6]在双频MIMO天线的接地板中心引入T型槽和音叉型枝节实现2个频段20 dB以上的隔离度.文献[7]在2个对立放置的U 型贴片之间加入曲折线电磁带隙结构, 在超宽带范围内将隔离度提升至17 dB.文献[8]将周期裂环谐振器组成的超表面与二单元贴片天线放置在同一层, 实现了低剖面和25 dB的高隔离度.文献[9]在2个强耦合的双频贴片天线上方放置一个具有双频解耦特性的超表面, 使2个频段隔离度均提升至25 dB.文献[10]采用超表面和缺陷地组合的方式对紧耦合双频贴片天线进行解耦,2个频段的隔离度均达到30 dB.上述文献的解耦方法中,缺陷地结构和添加寄生枝节较为简单, 易实现.加载电磁带隙结构及超材料的方法可以实现较高的隔离度, 但是天线的尺寸较大, 结构复杂.双频天线的解耦常结合几种解耦方法来实现.

本文提出了一种紧凑型高隔离度双频MIMO缝隙天线, 该天线采用微带线耦合馈电.天线单元的接地板为矩形环, 环内放置2个大小不同, 开口方向相反的六边形谐振环实现2.57 GHz～2.62 GHz和3.5 GHz～3.64 GHz频段辐射, 分别对应于中国移动和中国联通的5G频段.为了减少2个端口的耦合, 将两天线单元正交放置, 且在其环形地相接处刻蚀矩形缝隙, 使2个工作频段内的隔离度均提高到23.2 dB以上.采用极化分集和缺陷地相结合的方法解耦, 不需要增加天线尺寸就可实现高隔离度, 且解耦频段易调节.

1 天线设计

本文设计的天线结构如图1所示, 天线印刷在厚度为1.6 mm 的FR4的介质基板上(损耗角正切tanδ=0.02, 相对介电常数εr=4.4), 长度L=34 mm, 宽度W=68 mm, 由2个缝隙天线单元正交放置形成.辐射单元的馈电方式为微带线耦合馈电, 为改善天线的阻抗匹配, 将微带线顶部设置成半圆形, 半径R=1.5 mm, 微带馈线和接地板分别印刷在介质基板的顶层和底层.天线单元的接地板为矩形环, 环内放置2个正六边形开口谐振环, 其大小不等, 开口方向相反, 外环的边长a=15 mm, 内环的边长b=9.8 mm, 外环左右两边与环形地相接.天线单元正交放置后实现分集解耦, 为进一步提升其隔离度, 在两天线单元环形地相接处刻蚀2个长度不同的矩形缝隙.经过电磁仿真软件HFSS仿真优化后, 天线的几何参数如表1所示.

图1 天线的几何结构Fig.1 Geometry of the proposed antenna

表1 天线的设计参数Tab.1 Dimensions of the proposed antenna

天线单元的设计过程如图2(a) 所示.最初的天线由环形接地板和单极子构成, 记为天线Ⅰ;在其环形接地板内部放置1个开口方向向下的六边形谐振环A, 谐振环左右两侧与环形地板相接构成天线Ⅱ; 之后, 在谐振环A 的内部嵌入1个尺寸较小, 开口方向向上的六边形谐振环B构成天线Ⅲ.图2(b)为上述3个天线单元的|S11|曲线.可以看出, 天线Ⅰ的阻抗带宽为3.1 GHz～3.32 GHz, 且阻抗匹配较差; 天线Ⅱ在2.8 GHz处产生谐振, 阻抗带宽为2.72 GHz～3 GHz; 天线Ⅲ分别在2.58 GHz和3.6GHz处产生谐振, 带宽分别为2.54 GHz～2.65 GHz和3.5 GHz～3.64 GHz, 具有良好的双频特性.

图2 天线单元设计过程及S参数Fig.2 Evolution of antenna element and S parameters

为进一步解释实现双频的原理,图3给出了天线Ⅲ的电流分布情况.可以看出, 在2.6 GHz和3.6 GHz处, 电流分别集中在谐振环A和B上(如图中黑色箭头所示), 谐振环左右两侧的边分别产生谐振.谐振环A和B单侧电流路径长度分别为35.5 mm 和23.5 mm, 与式(1)计算的2.6 GHz和3.6 GHz对应波长的1/2(35.2 mm和25.4mm)接近, 因此产生双频谐振.其波长用下式计算

图3 天线Ⅲ电流分布图Fig.3 Current distribution of antenna III

经过分析,谐振环A的开口大小d4以及谐振环B的半径b对天线Ⅲ的双频性能有显著影响.在分析某一参数对天线双频性能的影响时, 其他参数均保持不变.图4(a)为d4变化时天线的|S11|曲线.可以看出, 随着d4的增加, 天线在低频处的谐振频率逐渐升高, 高频处的谐振频率基本不变.图4(b)为b变化时天线的|S11|曲线.可以看出,随着b的增加, 天线在高频处的谐振频率逐渐降低, 低频处的谐振频率保持不变.综合考虑工作频率和阻抗匹配等因素, 选取d4=4 mm,b=9.8 mm.

图4 d 4 和b对反射系数的影响Fig.4 Impact of d 4 and b on|S 11|

2 天线的解耦原理分析

若将2个天线Ⅲ单元并排放置, 此时两接地板间距为零, 会产生严重的耦合.为减小耦合, 将2个单元正交放置, 并在两单元的环形地相接处刻蚀2 个不同长度的矩形缝隙.解耦前后的S参数如图5所示.可以看出,|S11|的2个工作频段未发生明显偏移, 且解耦后阻抗匹配得到明显改善,|S11|由解耦前的-14.9 dB和-13.4 dB分别提升至-25.7 dB和-29.8 dB.此外, 解耦后,2个频段的隔离度得到显著提升,2.6 GHz和3.6 GHz处的|S21|分别由-11 dB和-22 dB提升至-27.7 dB和-24.2 dB.

图5 解耦前后的S 参数Fig.5 S-Parameter before and after decoupling

为进一步解释矩形缝隙的去耦原理, 图6给出了MIMO天线在2.6 GHz和3.6 GHz刻蚀缝隙前后的电流分布图, 仿真时其端口1为激励端口, 端口2接50Ω 负载.可以看出, 没有刻蚀矩形缝隙时, 端口1的耦合电流经环形地相接处直接耦合到端口2上.刻蚀矩形缝隙后, 矩形缝隙两侧形成方向相反的电流, 其辐射出的电场方向相反, 相互抵消, 实现解耦作用.

图6 天线解耦前后的电流分布图Fig.6 Current distribution before and after decoupling

3 结果与讨论

为验证设计方案的可行性以及仿真结果的正确性, 对天线进行了加工测试.加工的天线模型如图7所示, 其S参数采用矢量网络分析仪Agilent N5222A测试得到, 辐射方向图在微波暗室中测量得到.

图7 天线的实物图Fig.7 Photograph of fabricated prototype

3.1 S 参数

图8所示为测量及仿真的S参数.

图8 天线测试和仿真的S 参数Fig.8 Measured and simulated S-parameters

可以看出, 仿真的中心频率分别为2.58 GHz和3.6 GHz, 两频点处|S21|分别为-27.7 dB和-24.2 dB, 实测的中心频率分别为2.55 GHz和3.55 GHz, 两频点处|S21|分别为-30.7 dB 和-23.2 dB.仿真与实测误差由加工误差引起.

3.2 辐射性能分析

图9为MIMO天线实测和仿真的归一化平面辐射方向图.可以看出, 天线在2.6 GHz时,E面主极化近似为“8”字形,H 面主极化近似为圆形;3.6 GHz时的E面仍近似为“8”字形, 但H 面主极化略微发生畸变, 仿真和实测的结果较吻合,天线仍具有较好的稳定性.天线在2.6 GHz和3.6 GHz时的峰值增益分别为2.6 dB和3.3 dB,满足5G无线通信的基本要求.

图9 MIMO天线的辐射方向图Fig.9 Radiation pattern of proposed MIMO antenna

3.3 分集特性

包络相关系数(Envelope Correlation Coefficient,ECC)是衡量MIMO 天线信号间相关性的重要指标,ECC越小, 分集性能越好.工程上可接受的ECC范围为低于0.5, 本文的ECC用下式来计算[11]

ECC 的计算结果如图10所示, 可以看出,ECC在2个工作频带内均小于0.01, 说明该天线辐射单元间的相关性较低, 具有良好的分集特性.

图10 天线的ECCFig.10 ECC of the proposed antenna

表2给出了本文和其他文献中双端口MIMO天线的性能比较.表中λ0为天线低频谐振频率所对应的自由空间波长.可以看出, 除文献[5]外,本文天线的尺寸最小, 与文献[5]的天线相比, 本文天线的隔离度、ECC以及低频处的增益都有明显优势.与尺寸相近的文献[6]中天线相比, 本文天线的增益和隔离度更高.与文献[4], [8]和[9] 的天线相比, 本文天线尺寸更小,ECC更低.

表2 双端口MIMO天线的性能比较Tab.2 Performance comparison of dual-port MIMO antennas

4 结 论

本文设计了一种紧凑型高隔离度双频MIMO缝隙天线.天线单元采用方环形地, 在其内部放置2个大小不同, 开口方向相反的正六边形谐振环实现双频辐射.将两天线单元正交放置实现极化分集, 并在环形地连接处刻蚀矩形缝隙提升隔离度.仿真和测试结果表明, 所设计天线的带宽能覆盖5G的2个频段(2.57 GHz～2.62 GHz和3.5 GHz～3.6 GHz), 且2个频段的隔离度均优于-23.2 dB,ECC小于0.01.该天线综合性能良好, 可用于5G无线通信系统中.