一种小型化超宽带MIMO天线设计

吴艳杰 龙云亮

(中山大学电子与通信工程系,广州 510006)



一种小型化超宽带MIMO天线设计

吴艳杰 龙云亮

(中山大学电子与通信工程系,广州 510006)

提出了一种基于槽天线的小型化、高隔离度的超宽带(Ultra Wideband,UWB)多入多出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)天线. 该MIMO天线由两个槽天线单元构成,为了增加天线阻抗带宽,每个槽天线单元由末端带有圆形贴片的微带线和末端为圆形的槽线两部分耦合馈电. 采用在地板上开槽和方向图分集方法,减少地板表面波和空中电磁波影响,达到提高天线隔离度的目的. 数值仿真和实验结果表明:该天线在3.1～11 GHz频段内满足端口反射系数|S11|<-10 dB, 隔离度 |S12| 在7～11 GHz频段内小于-25 dB, 在3.1～7 GHz频段内小于-16 dB, 并根据仿真和测试S参数计算了包络相关系数.

超宽带天线;多入多出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)天线;高隔离度;槽天线

DOI 10.13443/j.cjors.2015070401

引 言

超宽带(Ultra Wideband,UWB)天线系统因具有功耗低、速度快、抗干扰性好等优点而得到学者们的广泛关注,有关单个超宽带天线的文章已发表许多篇[1-6]. 多入多出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)天线技术的应用能显著提高数据传输速率和信道容量[7]. UWB和MIMO技术的结合则使通信速率进一步提高,最高可超过1 Gb/s[8]. 其中,如何在保持天线系统小体积的前提下,设计出具有高隔离度的UWB MIMO 天线是一个关键问题,这也使得UWB MIMO天线设计成为最近的研究热点.

文献[9]提出了一种紧凑型的UWB MIMO天线设计,作者在每个天线单元中利用一个1/3波长的金属带和一个1/4波长的开口槽产生5.15～5.85 GHz和3.3～3.7 GHz两个阻带,背靠背放置的两个天线单元之间通过地板上两个由一条金属带连接的凸起获得很好的隔离度. 文献[10]中,每个天线单元由天线辐射体和一个连接地板的金属带构成,两个天线单元垂直放置,它们的地平面通过一条金属带连接,最终达到提高隔离度的目的. 通过天线正交放置得到双极化来获得高隔离度是文献[11]中采用的方法,但是此文献中的馈电网络比较复杂. 而在文献[12]中,则是通过不同类型的天线得到极化分集的高隔离度MIMO天线. 文献[13]中,通过在两个天线单元之间的地板上延伸两个倒L型分支并且在两者之间开槽(其终端为圆形)来得到较高的隔离度.上述方法中通过在天线单元之间放置金属带或利用天线单元之间的放置位置不同作为去耦隔离结构,从而减少天线单元之间的耦合. 文献[14]则采用与上述完全不同的方法来提高天线系统隔离度,该文献在利用一条金属线连接两个天线单元,在某个频段内金属线上的电流与流经地板的耦合电流大小相等、相位相反,彼此相互抵消,从而提高此频段内天线的隔离度.但是,这种方法只在某个较窄的频带内有效.但是,无论是利用在地板上延长出来的金属带还是连接天线单元之间的金属带作为去耦结构,都增加了天线的复杂度,提高了天线加工成本.

本文利用槽天线地板较大的特征,通过放置两个参数完全相同、开口方向不同的槽天线单元,利用在地板上开槽的手段,实现了MIMO天线系统的高隔离度,并且尺寸仅为25 mm×35 mm. 在仿真优化天线性能的基础上,制作并加工了天线样品,并对天线的S参数、方向图等进行了测试,结果表明,该天线在3.1～11 GHz频段内满足端口反射系数|S11|<-10 dB,隔离度|S12|在整个阻抗带宽内不低于16 dB.

1 天线结构设计及天线参数研究

1.1 天线结构与设计

天线结构如图1所示,馈电网络和槽天线分别印制在FR4介质基板正反两面,该介质基板相对介电常数为4.4,正切损耗为0.02,尺寸为35 mm×25 mm×0.8 mm. 该MIMO天线由两个槽天线(天线单元1和2)、两条微带馈线及去耦网络组成. 每个天线单元包括三部分:1) 微带线与槽线转换器;2) 梯形槽1;3) 梯形槽2. 天线单元的第1部分中的微带线终端的圆形贴片和槽线终端的圆形槽,用于增强天线单元1和2的阻抗带宽;天线单元第2和3部分的梯形槽,用于拓展天线的低频阻抗带宽,最终使每个天线单元都能覆盖3.1～11 GHz. 两个天线单元及微带馈线关于地平面中心点对称,去耦网络由一个终端为圆形的槽构成. 具体天线尺寸由表1所示.

图1 MIMO天线结构图

表1 MIMO天线尺寸 单位:mm

W1W2W3W4W5W6W7W81751651684227186354L1L2L3L4L5L6L7L8848154034115102665LWR1R2R32535161519

1.2 馈电网络分析

馈电网络中微带线终端的圆形贴片及槽线终端的圆形结构对天线单元的阻抗带宽有明显影响.下面分析不同的R2和R3对|S11|的影响.

如图2所示,随着R2的变化,|S11|在高频频带内变化不大,尤其是7～11 GHz,但是对低频段影响很大.R2的增加会延长电流路径,从而使处于3～ 4 GHz和5～6 GHz的两个谐振点频率随R2的增加而降低. 为了使天线单元获得更好的阻抗特性,R2取值为1.5 mm.

图2 |S11|随R2变化

在图3中,R3的变化对高频段的|S11|影响较小,但是,对低频谐振点影响较大,随着R3的增大,由于电流路径的增加,低频谐振点逐渐降低.

图3 |S11|随R3变化

1.3 去耦隔离结构分析

在MIMO天线系统中,天线之间的隔离度是一个很关键的指标. 本设计采用在地板开槽和方向图分集两种方法,减少地板表面波和空中电磁波的影响,在未加任何其它去耦隔离分支和反射板的情况下,实现了MIMO天线的高隔离度.

由于天线的低频段波长较长,因此,一般情况下,MIMO天线系统中低频的隔离度会比较差. 在本MIMO天线设计中,去耦隔离结构能明显提高天线的低频隔离度. 图4所示为端口1激励,端口2接匹配阻抗时在3.5 GHz的电流分布图,由图中可知,在未增加去耦隔离结构前,有较强的电流从端口1耦合到端口2,从而导致MIMO天线系统较差的隔离度. 增加去耦隔离结构后,大部分地板电流被束缚在隔离结构周围,只有少部分电流从端口1耦合到端口2,同时,去耦隔离结构对天线单元1上的电流影响较小,即对天线单元的性能影响较小.其中,槽末端的圆形槽,可有效提高低频段的隔离度.其中有无圆形槽和圆形槽的半径R1对天线单元之间的隔离度及天线单元的阻抗特性有很大影响. 图5中将有无圆形槽的S参数进行了对比,结果显示,增加圆形槽后对6～11 GHz高频段的S参数影响比较小,但是对低频段S参数有显著影响. 其中,增加圆形槽后,3.5 GHz附近的频点的|S11|<-27 dB,拓宽频点附近频段的带宽,使天线单元的阻抗带宽达到3.1～11 GHz. 同时,低频段的|S12|在增加圆形槽后也明显改善,隔离度最大提高8 dB.

图4 3.5 GHz的电流分布对比图

图5 有无圆形槽S参数对比 图6 |S12|随R1的变化

去耦隔离结构中另一个关键的参数是圆形槽的半径R1.由于低频段地板上的电流集中在半径为R1的圆槽附近,而高频段的电流主要集中在槽天线上,因此,曲线中低频段的|S12|变化较大,而高频段的|S12|变化很小,结果如图6所示.

(a) 天线正面 (b)天线背面图7 MIMO天线实物图

2 天线测试结果及分析

为了对上述天线仿真结果进行验证,根据图1中的天线结构图制作了图7所示的样品.

利用安捷伦E5071C对天线样品进行了测量,测量及仿真结果如图8所示. 结果表明该天线在3.1～11 GHz频段内满足|S11|<-10 dB,|S12|在7～11 GHz频段内小于-25 dB,在3.1～7 GHz频段内小于-16 dB.

图8 测量与仿真S参数曲线图

(a) 端口1激励

(b) 端口2激励图9 测试与仿真方向图

利用微波暗室对MIMO天线的方向图进行了测量,其中,端口1激励时,端口2匹配50 Ω的负载,反之亦然.

图9分别给出了在4 GHz和10 GHz频率下对端口1和端口2激励时的测量和仿真方向图.由于去耦结构对电流分布的影响,两个端口的方向图表现出不同的辐射特性.

包络相关系数CEC是MIMO天线设计中的一个关键参数,本文通过仿真和实测S参数,利用公式(1) 计算,计算结果如图10所示.

(1)

图10 测试与仿真包络相关系数曲线图

3 结 论

提出了一种基于两个结构完全相同槽天线单元构成的超宽带MIMO天线设计,每个天线单元都具有在3.1～11 GHz频段内满足|S11|<-10 dB的阻抗特性.本设计中通过在地板开槽并且该槽末端为圆形,改变地板电流,从而提高MIMO天线的隔离度,尤其是低频段的隔离度,最终达到|S12| 在7～11 GHz频段内小于-25 dB, 在3.1～7 GHz频段内小于-16 dB.通过仿真和实测|S11|、|S12|、|S22|、包络相关系数以及辐射方向图验证天线性能,结果表明:该天线满足超宽带频带内的阻抗特性并具有良好的隔离度和分集性能.同时,该天线具有体积小、低成本、易加工等优点.

[1] LIANG J, CHIAO C C, CHEN X, et al. Printed circular disc monopole antenna for ultra-wideband applications[J]. Electron letter, 2004, 40(20):1246-1247.

[2] ZHANG K, LI Y X, LONG Y L. Band-notched UWB printed monopole antenna with a novel segmented circular patch[J]. IEEE antennas wireless propagation letter, 2010, 9: 1209-1212.

[3] AMMANN M J, CHEN Z N. A wide-band shorted planar monopole with bevel[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2003, 51(4): 901-903.

[4] 曹新宇, 张金玲, 杨虹蓁. 新型小尺寸双陷波超宽带天线设计[J]. 电波科学学报, 2014, 29(3): 548-551+566.

CAO X Y, ZHANH J L, YANG H Z. New small size ultra-wide band antenna having two frequency bands notch fuction[J]. Chinese journal of radio science, 2014, 29(3): 548-551+566. (in Chinese)

[5] 段吉海, 蓝创, 徐卫林, 等. 具有两块非对称接地面的高紧凑型超宽带天线[J]. 电波科学学报, 2015, 30(2): 339-343.

DUAN J H, LAN C, XU W L, et al. Design of a highly compact ultra-wideband antenna with two asymmetric patch grounds[J]. Chinese journal of radio science, 2015, 30(2): 339-343. (in Chinese).

[6] 王友成, 邵金进, 纪奕才, 等. 末端开槽超宽带天线的研究[J]. 电波科学学报, 2015, 30(3): 510-515.

WANG Y C, SHAO J J, JI Y C, et al. Analysis on multi-slot tuned ultra-wideband antenna[J]. Chinese journal of radio science, 2015, 30(3): 510-515. (in Chinese)

[7] FOSCHINI G J. On limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas[J]. Wireless personal communication, 1998, 6(3): 311-335.

[8] KAISER T, ZHENG F, DIMITROV E. An overview of ultra-wide-band systems with MIMO[J]. Proceeding IEEE, 2009, 97(2): 285-312.

[9] LI J F, CHU Q X, LI Z H, et al. Compact dual band-notched UWB MIMO antenna with high isolation[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2013,61(9): 4759-4766.

[10]LIU L, CHEUNG S W, YUK T I. Compact MIMO antenna for portable devices in UWB applications[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2013, 61(8): 4257-4264.

[11]ADAMIUK G, BEER S, WIESBECK W, et al. Dual-orthogonal polarized antenna for UWB-IR technology[J]. IEEE antennas wireless propagation letter, 2009, 8: 981-984.[12]LU Y C, LIN Y C. A compact dual-polarized UWB antenna with high port isolation[C]//Antennas and propagation society international symposium (APSURSI),2010: 1-4.

[13]SHOAIB S, SHOAIB I, SHOAIB N, et al. Design and performance study of a dual-element multiband printed monopole antenna array for MIMO terminals[J]. IEEE antennas wireless propagation letter, 2011,10: 310-313.

[14]DIALLO A, LUXEY C, THUC P L, et al. Study and reduction of the mutual coupling between two mobile phone PIFAs operating in the DCS 1800 and UMTS bands[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2006, 54(11): 3063-3074.

吴艳杰 (1981-),男,河南人,博士研究生,主要研究方向超宽带天线、MIMO天线.

龙云亮 (1963-),男,重庆人,教授,博士生导师,研究方向为天线理论与设计、电波传播理论和电磁数值计算等.

A design of compact ultrawideband MIMO antenna

WU Yanjie LONG Yunliang

(Department of Electronics and Communication Engineering, Sun Yat-Sen University,Guangzhou510006,China)

A compact ultrawideband multiple-input multiple-output(MIMO) antenna with compact and high isolation is proposed in this paper. The proposed antenna is composed of two slot antenna elements. To improve the impedance bandwidth of the MIMO antenna, these two slot antennas end with a circular shape etched on the ground plane are fed by microstriplines with one circular patch end, respectively. To obtain a high isolation, a slot is etched on the ground plane to suppress surface wave, and pattern diversity is introduced. Simulation and measurement results show that the proposed antenna has an wide impedance bandwidth of 3.1-11 GHz with |S11| less than-10 dB and |S12|less than -25 dB in 7-11 GHz, and-16 dB in 3.1-7 GHz. The envelope correlation coefficient is calculated based on measured S-parameters.

ultrawideband antenna; multiple-input multiple-output antenna; high isolation; slot antenna

10.13443/j.cjors.2015070401

2015-07-04

广东省研究项目(No.2014B090901057，No.2015A030312010)

TN958.93

A

1005-0388(2016)03-0421-06

吴艳杰, 龙云亮. 一种小型化超宽带MIMO天线设计[J].电波科学学报,2016,31(3):421-425+461.

WU Y J, LONG Y L. A design of compact ultrawideband MIMO antenna[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(3):421-425+461. (in Chinese). DOI:10.13443/j.cjors.2015070401

联系人： 吴艳杰 E-mail: wuyanjie@gdut.edu.cn