一种新型六边形宽带毫米波MIMO天线

李凯佳, 杜成珠, 郑炜晴, 焦哲晶

(上海电力大学 电子与信息工程学院, 上海 200090)

近年来,随着通信技术的不断发展,移动通信逐渐从第一代通信发展到目前广为普及的第四代移动通信,且第五代通信技术商用测试正在稳步进行中。随着5G通信系统的飞速发展,人们对通信设备的性能也提出了新的要求。相比4G通信,5G能提高10倍的信号传输速率、降低至毫秒级别的传输延时,以及上百倍的终端设备连接。但目前无线通信使用的频谱资源十分有限,因此利用高频段通信是5G移动通信的必然趋势[1]。

毫米波(Millimeter Wave,mm Wave)多天线技术是满足海量数据高速率通信需求的关键技术之一。与现有的微波频段不同,毫米波的频谱资源十分丰富,但毫米波信号绕射能力差、在空气中衰减大,因此对抗严重的路径损耗是毫米波通信亟待解决的问题。多天线技术(Multiple Input Multiple Output,MIMO)是在信号发射端使用多个发射天线,同时在信号接收端也对应地使用多个接收天线构成的多路信号传输物理路径。相比单天线系统,其传输容量得到极大的提升。毫米波天线尺寸小、易集成,因此在毫米波传输中结合MIMO能够取得良好的效果。

微带天线具有重量轻、体积小、剖面低以及易集成于微波电路等优点,因此在移动通信、电子导航、雷达信号等领域有着广泛的应用。但由于微带天线有带宽窄和辐射增益低等缺点,其带宽一般只达到0.7%～7.0%,从而限制了微带天线的应用范围[2]。如何拓展微带天线的带宽成为热门的研究课题。研究者提出的拓展微带天线带宽的技术主要有:选择介电常数εr较小的介质基板;改变辐射贴片基本形状;增加介质基板的厚度,对辐射贴片开槽开缝;增加阻抗匹配网络;增加寄生贴片或者采取电磁耦合馈电方式等[3]。

TANG M C等人[4]提出了一种印刷槽形天线,天线顶部是椭圆凹槽内的寄生椭圆贴片,馈线放置在FR4介质基板的底部,基片设计为椭圆音叉结构,带宽为2.26～22.18 GHz。SINGHAL S等人[5]提出了一种紧凑共面波导馈电六边形单极子天线。天线开了5个方形槽,其中较大的一个方形槽在辐射贴片的正中间,整个天线结构对称,带宽为3.4～37.4 GHz。RAHMAN M N等人[6]研究了一种由开槽圆形辐射贴片和非对称接地面组成的微带宽带共向微波馈电天线,带宽为4.0～19.8 GHz。SAHA T K等人[7]提出了在馈线上开矩形槽的带宽增强天线,带宽为4～40 GHz,但实际测量的频率范围只有4～20 GHz。ALDWAIRI M O等人[8]设计了4个不同开槽形状接地面的小型微带天线,带宽为3.1～35 GHz,采用刚性FR4材料作为介质基板。

带宽展宽技术的应用对拓展微带天线带宽起到了良好的效果,但也存在一些不足。例如:增加介质基板的厚度会使微带天线的重量增加;采用特殊的辐射贴片形状,增加阻抗匹配网络或者增加寄生贴片会提高天线设计的复杂性,从而增加天线制造的难度。本文提出了一种新型的宽带毫米波MIMO天线,其天线单元为六边形贴片,通过开槽和切边拓宽天线的带宽。

1 宽带毫米波MIMO天线单元结构

本文提出的六边形宽带毫米波MIMO天线单元结构如图1所示。天线单元尺寸为23.6×15.4×0.1 mm。该天线单元由底部的介质基板覆盖其上的金属天线贴片以及金属共面波导接地面组成。介质基板采用LCP(liquid crystal polymer)材料。LCP材料的介电常数εr=2.9,介质损耗角正切值tanδ=0.002,厚度h1=0.1 mm。辐射贴片的主体为六边形结构。为改变贴片上电流分布流向,提高阻抗匹配,在贴片的下部开了一个倒凸形槽,并在贴片边缘进行了部分切除处理。为了改变共面接地面上电流传输方向,对共面接地平面作渐变处理,使其呈现为上窄下宽梯形结构。天线单元的馈电方式选择共面波导馈电形式,50 Ω馈线与贴片连接于六边形贴片底边的正中间。

图1 宽带毫米波天线单元结构

图1中各个变量为天线单元的结构变量,通过HFSS软件对该天线单元参数进行仿真与优化,其中,Lsub为介质基板长度,Wsub为介质基板宽度,Wf为馈线宽度,t为其面波导间隙宽度,L01为凸型槽长度,W01为凸型槽宽度。最后设计尺寸结果如表1所示。

表1 天线基本结构尺寸 单位:mm

2 宽带毫米波MIMO天线单元设计过程

设计过程分为3个主要步骤。

步骤1 设计出基础结构的天线单元,天线单元由辐射贴片、共面微带馈线、共面接地面和底部的介质基板组成。辐射贴片形状选取为六边形,底边方向朝下。共面微带馈线与贴片的连接点在六边形底边中点。该步骤下天线的仿真结果在5.1～41.8 GHz频带范围内,回波损耗S11小于-10 dB标准;在8.4～11.3 GHz,27.3～28.6 GHz条件下,回波损耗S11大于-10 dB。

步骤2 改变共面接地平面形状,采用上窄下宽的渐变结构,共面接地面呈直角梯形形状,改变电流传输方向,拓展频带带宽并减小回波损耗。

步骤3 在辐射贴片上蚀刻倒“凸”型槽,改变贴片底部与微带馈线连接处电流分布,减小回波损耗。在底部增加矩形结构,减小与共面接地面间距,增强谐振,进一步减小回波损耗。另外,在辐射贴片两边的边缘进行部分切除处理,对回波损耗S11进行微调。

具体设计步骤及相应电流分布如图2所示。

图2 MIMO天线单元设计步骤及相应电流分布

由图2可以看到:步骤2中,共面接地面改为直角梯形后,电流传输方向改变,六边形贴片上电流流向两边;步骤3中,开槽后,贴片中电流分布变化更加明显,偏向左右两侧。

宽带天线单元设计过程中回波损耗S11参数曲线变化情况如图3所示。

图3 宽带毫米波MIMO天线单元各步骤S11参数曲线

步骤1时,天线单元的回波损耗S11参数曲线在5.1～41.8 GHz频带内,大部分回波损耗小于-10 dB;在8.4～11.3 GHz,27.3～28.6 GHz范围内,回波损耗大于-10 dB。步骤2时,天线单元的回波损耗S11参数曲线在8.4～11.3 GHz频带内,回波损耗小于-10 dB。步骤3时,回波损耗S11参数曲线天线带宽略微拓宽,在27.3～28.6 GHz频带内,回波损耗小于-10 dB。

3 MIMO天线仿真结果与分析

将2个天线单元横向并列摆放,组成1个二元MIMO天线。二元宽带毫米波MIMO天线结构如图4所示。

图4 二元宽带毫米波MIMO天线结构

通过HFSS仿真软件对MIMO天线进行仿真,其S参数仿真结果如图5所示。矩形线表示仿真的回波损耗S11参数曲线,圆形连线表示仿真的S12参数曲线。由图5可以看出,MIMO天线仿真的回波损耗S11参数小于-10 dB时,天线的工作频率为5.1～41.8 GHz,相对带宽(即信号带宽与中心频率之比)为156.5%。同时,在5.1～41.8 GHz频带范围内,S12参数曲线的最大值为-21.8 dB,整体小于-20 dB,可以满足MIMO天线隔离度小于-15 dB的规格要求。

图5 宽带毫米波MIMO天线S参数曲线

图6为MIMO天线仿真的增益-频率曲线。选取φ=0°平面为增益取值面,可以看到,在5.1～41.8 GHz频率范围内,增益最小值为1.55 dB,最大值为4.01 dB。

图6 宽带毫米波MIMO天线增益-频率曲线

图7为MIMO天线不同频率远场辐射方向图,是在端口1输入信号且端口2匹配时的仿真结果。在MIMO天线正常工作频率范围内,分别仿真了频点6.5 GHz,15.8 GHz,34.6 GHz的E面和H面辐射方向图。

图7 宽带毫米波MIMO天线远场辐射方向图

对于H面(θ=90°),MIMO天线在低、中、高3个频点的方向图都为圆形,其中高频点略有变形,但都具有良好的全向辐射特性;对于E面(φ=90°),在低频点6.5 GHz处,MIMO天线的方向图形为“8”字型,在中高频点的方向图有些许变形,但都具有一定的方向性。由此可知,MIMO天线的E面、H面方向图与单极子天线辐射方向一致,具有良好的辐射特性,符合超宽带(Ultra Wide Band,UWB)天线辐射方向规定的要求。

4 结 语

本文设计了一种新型六边形宽带毫米波MIMO天线。天线工作带宽为5.1～41.8 GHz。通过优化调节六边形尺寸,对共面波导接地面采取渐变处理,并在天线贴片上挖倒“凸”字型槽,使得天线带宽变宽,使其在5.1～41.8 GHz范围内回波损耗均小于-10 dB,天线的隔离度整体小于-20 dB。方向图呈现良好的辐射特性,说明该天线在毫米波通信中具有良好的应用前景。