一种小型化双陷波超宽带MIMO 缝隙天线设计

苏勇铭,黄玉兰,吕梅

(西安邮电大学 电子工程学院,陕西 西安 710121)

随着无线通信技术的不断进步,人们对无线通信系统的传输速率、信道容量以及通信质量的要求越来越高,传统单天线系统已经无法满足通信需求,因此用复用和分集增益来提高无线系统容量和链路质量的多输入多输出(MIMO)天线技术逐渐成为无线通信发展的重要内容[1-3]。与此同时,为更好地发挥出MIMO天线技术的优势,将MIMO 技术与超宽带技术相结合,不仅可以提高数据传输效率、抑制多径效应,而且通信质量和容量也会有很大的提升[4-5]。

近年来,随着系统的集成度越来越高,这就要求设计的天线尺寸越来越小,但尺寸减小势必会使各辐射单元的间距过近,耦合效应增强,单元独立性降低,进而对整个天线的收发性能造成严重影响。同时,超宽带频段内存在着如WLAN(5.15～5.825 GHz)和X上行频段(7.9～8.4 GHz)等窄带频段的干扰,对窄带频段的阻断研究也已迫在眉睫。因此,设计出兼顾小型化、高隔离度指标且能滤除窄带干扰的超宽带(UWB) MIMO 天线具有十分重要的意义。当前天线小型化技术有开槽[6]、弯折[7]和分形技术[8]等,提升隔离度的方法有引入中和线[9]、去耦合网络[10]、添加地板枝节及缺陷地结构[11-12]等。文献[13]设计了一种共面波导馈电的MIMO 天线,天线单元正交放置以实现模式分集,在不使用任何解耦结构的情况下增强单元间的隔离;文献[14]提出一种F 型枝节隔离结构,去耦效果显著,隔离度达到-20 dB,但存在尺寸较大的问题;文献[15]设计了一款尺寸为26 mm×26 mm的小型化UWB MIMO 天线,通过在接地板上刻蚀出T型槽来提高隔离度,但效果不理想;文献[16]将天线单元正交放置并在接地板上增加隔离枝节以实现高隔离的目的。总结前人的研究可以看出,现在设计的很多MIMO 天线仍无法很好地平衡小型化与高隔离度之间的关系,除此之外,有些UWB MIMO 天线无法滤除频带内的窄带干扰。

基于此现状,本文提出一种小型化双陷波超宽带多输入多输出(UWB MIMO)缝隙天线,设计带宽为3.1～11.2 GHz,满足超宽带天线要求,引入的陷波结构能够很好地解决WLAN(5.15～5.825 GHz)和X 上行频段(7.9～8.4 GHz)的电磁干扰,它具有24 mm×24 mm×0.8 mm 的紧凑尺寸,并且天线在工作频带内的隔离度低于-20 dB,增益平坦。

1 天线的设计及分析

本文设计的小型化UWB MIMO 天线几何结构如图1 所示。该天线选用厚度为0.8 mm、相对介电常数为4.4 以及损耗角正切为0.02 的FR4 介质基板进行制备。天线单元为微带缝隙天线,其具有外形小、重量轻、成本低、易于与其他电路集成等优点。天线底面的渐变切角缝隙是在传统阶梯缝隙基础上改进得到的,两者都是通过缝隙的不同部分来产生不同谐振,多个谐振组合起来进而形成超宽带。不同的是,一方面设计中为实现小型化,在传统阶梯缝隙直角的基础上进行切角处理,从而在有限的空间内进一步延长了表面电流长度,获得原来需要更大尺寸才能实现的谐振;另一方面,设计中L10和L12矩形槽关于渐变切角缝隙中轴线是非对称的,与传统阶梯缝隙相比,非对称形式不再拘泥于阶梯缝隙关于中轴线对称的模式,在设计上可以更加灵活地得到相关谐振,同时非对称形式使槽两侧表面电流路径不同,可以产生更多谐振,有利于超宽带工作频段的实现。

图1 天线结构示意图Fig.1 Antenna structure of proposed design

该UWB MIMO 天线设计分为四个步骤:步骤一,如图2(a)所示,设计出两个叉型微带馈电的缝隙天线单元,叉型结构相比于常规矩形,其改变了贴片上的电流方向和路径,进而延长表面电流的有效长度,达到缩小尺寸的目的。步骤一的S参数指标如图3 中antenna_1曲线所示,叉型设计改善了高频段的阻抗匹配,但在5 GHz以下回波损耗指标不理想。并且为实现小型化,设计中将天线单元放置得很近,接地板上的表面电流和近场辐射导致天线间存在很强的相互耦合,隔离度在6 GHz以下未达到小于-15 dB 的设计要求。

步骤二,如图2(b)所示,为达到高隔离度和扩展带宽的目的,在接地板上刻蚀出I 型槽与圆槽相结合的结构。此结构使天线表面电流分布发生变化,进而使间隔很近的天线单元距离增大,耦合减小,带宽增大。图3 中antenna_2 曲线表明天线回波损耗在3.1～11 GHz 范围内小于-10 dB,隔离度也明显提升,整体低于-20 dB。

步骤三,如图2(c)所示,接地板的钩状槽和微带馈线的倒U 型槽分别用来实现工作频带内WLAN 和X上行频段的陷波,微带馈线侧边的矩形槽则用来优化频带内的阻抗匹配。图3 中antenna_3 曲线表明,馈线侧边的矩形槽使5 GHz 以下频段的回波损耗得到改善,但陷波结构的引入,导致天线在中高频段的回波损耗和5.2～6 GHz 的隔离度恶化。

步骤四,如图2(d)所示,为解决上述问题,在接地板刻蚀对称的L 型槽和叉型槽,从图3 的antenna_4曲线可得出,天线在工作频段内的回波损耗指标良好,覆盖了3.1～10.6 GHz 的超宽带频段,并且隔离度均低于-20 dB,远小于设计要求-15 dB 的指标。因此,UWB MIMO 天线很好地平衡了小型化与高隔离的关系,相比较前面文献中提到的天线具有一定优势。

图2 天线设计步骤Fig.2 Steps of antenna design

图3 各步骤天线的S 参数指标对比图Fig.3 Antenna S parameter comparison diagram of each step

天线的缝隙可为任意形状,如圆形、矩形等,其尺寸的大小主要对天线的阻抗带宽有影响,在一定范围内,缝隙尺寸越大,相应电流路径就越长,天线会在较低的频率处产生谐振。图4 为天线谐振点及相关谐振结构图,可以发现天线在4.9,6.7 和9.9 GHz 处有明显谐振,其中前两个较低频率的谐振主要是底层渐变切角槽的不同部分在不同的频率下谐振造成的。相关计算公式为:

式中:LA、LB和L为有效槽长度;c为光速;f为谐振频率。

使用式(1)～(3)计算得到谐振频率为5.01 GHz和6.38 GHz,与图4 中仿真得到的谐振频率4.9 GHz和6.7 GHz 接近。

9.9GHz 处的谐振是由于天线顶层的叉形微带辐射贴片造成的,其谐振频率可由以下公式计算得出:

式中:Leff为叉形贴片实际辐射长度;εe为有效介电常数;εr为相对介电常数;L0为叉形贴片长度;ΔL为等效辐射缝隙长度;w为叉形贴片宽度;h为介质板厚度。

通过上述公式计算数值得出谐振频率为9.4 GHz,接近于图4 中仿真的9.9 GHz 谐振频率。由此UWB MIMO 天线的结构与其产生的谐振得到验证。

图4 天线谐振点及相关谐振结构Fig.4 Antenna resonant points and related resonant structures

天线的陷波特性是通过在接地板刻蚀的钩状槽以及在叉型微带线上刻蚀倒U 型槽来实现的。原理是开槽相当于在天线中引入半波长谐振器,因此槽的长度L与陷波频率f之间的关系满足以下计算公式:

其中,槽的长度L在天线中具体指钩状槽和倒U型槽的总长度LC和LD,相关计算公式为:

2 仿真和实测参数指标分析

2.1 S 参数及电流分布分析

图5(a)和(b)分别为参数L4和L16在不同尺寸时的回波损耗S11指标。其尺寸大小主要对频带内的陷波产生影响,参数L4和L16尺寸的增加会使陷波逐渐向低频移动,原因是尺寸增加会加大等效电流路径长度,从而使谐振频率向低频移动。当L4=3.92 mm,L16=5.2 mm 时,天线产生覆盖WLAN 和X 上行频段的陷波,且陷波独立性高,对一个陷波结构进行参数优化时不会对另一个陷波指标产生很大影响。

图5 天线陷波结构的参数优化Fig.5 Parameter optimization of the antenna notch structure

图6(a)～(d)绘制了天线隔离度的参数优化曲线。由图可以发现参数L11和圆槽半径R主要用来调节5 GHz 以下的隔离度,特别是参数L11对隔离度的优化明显。而叉型槽的参数W5和L 型槽的参数L7对工作频段内的隔离度均有影响,其中参数W5对4 GHz 以上的隔离度影响显著,原因是这些结构改变了贴片表面电流方向,相当于延长单元间的距离,进而影响耦合。经HFSS 仿真软件对尺寸优化,当L11=7.4 mm,R=2 mm,W5=7 mm,L7=4.5 mm 时,隔离度在整个频段内小于-20 dB,最低达到-32 dB。

图6 天线隔离度的相关参数优化Fig.6 Optimization of relative parameters of antenna isolation

通过对天线各参数进一步仿真优化,最终确定天线的结构尺寸,详细数值见表1,加工的实物如图7 所示。

图7 天线实物加工图Fig.7 Physical processing drawing of the antenna

表1 天线结构的尺寸Tab.1 The dimensions of the antenna structure mm

图8 为天线的回波损耗S11仿真与实测指标图。实物测试表明,天线分别在5～6.1 GHz 和7.9～8.9 GHz频段上产生陷波,与仿真曲线中5.1～5.84 GHz 和7.6～8.69 GHz 的陷波频段大体一致,很好地覆盖了WLAN(5.15～5.825 GHz)和X 上行频段(7.9～8.4 GHz)。由于加工材料以及焊接过程中不可避免地产生误差,天线在高频段的回波损耗比仿真指标差,但仍在-10 dB 以下,符合设计要求,回波损耗最低值达到-25 dB 左右。实测天线在3.1～11.2 GHz 频带内具有良好的阻抗带宽,略优于仿真的3.1～11 GHz,满足超宽带天线要求。图9 绘制了天线的隔离度S21仿真与实测指标图。实测表明,天线在整个频段内隔离效果优良,隔离度S21低于-20 dB,其中在5～8 GHz 上的隔离度比仿真结果更好,最低值达到-45 dB。

图8 MIMO 天线S11仿真与实测值对比图Fig.8 Comparison between simulated and measured S11 of the MIMO antenna

图9 MIMO 天线S21仿真与实测值对比图Fig.9 Comparison between simulated and measured S21 of the MIMO antenna

图10 为天线在5.5 GHz 和8 GHz 的表面电流分布图。由于天线的结构关于中轴线对称,所以只对一个端口进行研究即可,此处对天线左端口激励,右端口加匹配负载,图10(a)表明天线在5.5 GHz 的表面电流主要聚集在钩状槽周围,阻抗失配,产生较大的反射系数,无法辐射,因而形成滤除WLAN 频段干扰的陷波。同样由图10(b)可以看出,天线在8 GHz 的电流主要集中在馈线的倒U 型槽周围,可以有效解决X上行频段的干扰。除此之外,从电流分布可以看出,隔离结构的添加导致耦合到右侧天线单元上的电流很少,大部分耦合电流被隔离结构阻隔,从而改变电流流动方向,有效增加了天线单元间的隔离度。

图10 天线电流分布图Fig.10 Current distribution of the antenna

2.2 天线辐射特性分析

图11 绘制了天线在3.4,6.2 和9 GHz 时关于E面和H 面的仿真及实测归一化远场辐射图。因为天线结构对称,所以两个天线单元的方向图大致相同,当天线左端口被激励,右端口加匹配负载时,由图11 可以看出:天线在3.4 GHz 和9 GHz 时方向图的E 面和H 面均大体呈现出圆形形状;在6.2 GHz 时,E 面方向图呈现出类似于单极子天线的“8” 字形,H 面依然具有全向辐射特性。由于暗室测量环境及误差,导致在实测时的方向图有所收缩或凹陷,但方向图大体仍具有全向性,天线在工作频段内具有较好的辐射性能,适合发送或接收各个方向的信号。

图11 天线辐射方向图Fig.11 Radiation pattern of the antenna

图12 为天线的峰值增益与频率关系图。由图可知,除陷波频段外,天线增益维持在1～4 dB 之间,增益稳定。增益在两陷波频段处骤然下降,最低值在-5 dB 左右,表明在此频段天线无法正常辐射,进而避免了WLAN 和X 上行频段的干扰。

图12 天线增益与频率关系曲线图Fig.12 Gain and frequency relation curve of antenna

2.3 包络相关系数(ECC)分析

为进一步分析MIMO 天线的分集特性,接下来对天线包络相关系数(ECC)进行研究,包络相关系数描述了天线单元对信号接收的独立程度,数值应尽可能低,其值可以由仿真和测量的S参数代入公式(11)计算得到:

式中:为S11的共轭值;为S21的共轭值。

利用公式(11)计算可得天线包络相关系数ECC 指标如图13 所示。由图13 可以看出,天线的ECC 低于0.01,远小于指标要求的0.5,表明各天线单元之间具有良好的独立性。

图13 天线包络相关系数ECC 指标图Fig.13 Envelope correlation coefficient index diagram of antenna

表2 为本文设计的天线与近几年已发表文献的MIMO 天线性能参数对比,主要从尺寸、带宽、阻带、隔离度、ECC 方面进行对比。从对比结果可以看出,本文设计的天线很好地平衡了小型化尺寸与高隔离度的关系,且具有较宽带宽、双陷波以及包络相关系数小的优点。

表2 天线性能参数对比Tab.2 Comparison of antenna performance parameters

3 结论

本文设计了一种小型化双陷波UWB MIMO 缝隙天线。天线采用总尺寸为24 mm×24 mm×0.8 mm 的FR4 介质基板制备,并以两个叉型微带馈电的缝隙天线单元作为MIMO 天线设计的基础,通过在接地板刻蚀出叉型槽、对称L 型槽以及I 型槽与圆槽相结合的结构来增加系统隔离和优化匹配带宽;同时,接地板上钩状槽和馈线上倒U 型槽的引入,实现了覆盖WLAN 和X 波段上行频段的陷波。结果表明,天线带宽为3.1～11.2 GHz,其中5～6.1 GHz 和7.9～8.9 GHz 为陷波频段,其他频段阻抗匹配良好;整个频段内的隔离度均低于-20 dB,增益平坦,包络相关系数ECC 小于0.01。该天线兼顾了小型化和高隔离的特点,辐射增益稳定,适用于小型化超宽带多输入多输出系统应用。