一种地层短截线部署在MIMO天线阵中降低互耦的应用研究

陈凌希，秦 蒙

(重庆电力高等专科学校，重庆 400053)

随着移动互联网的出现，移动设备用户之间的视频数据流量激增，对宽带节能天线技术提出了更高的要求。多输入多输出(multiple input multiple output，MIMO)天线在无线设备中具有巨大的应用潜力，多天线的安装能够使发射器和接收器之间生成稳定的数据流。例如MIMO天线可以促进通过芯片本身或802.11 MHz Wi-Fi设备的通信，其中MIMO天线可以分别以108 Mb/s和54 Mb/s的速率使得发射机和接收机之间产生稳定的数据流[1]。目前，随着MIMO天线对更小型化、更高频谱效率、更大吞吐量和更高密度的要求越来越高，微带天线阵列已成为一种新的增长趋势。然而，当处理更高的消息传输速率时，MIMO天线阵列单元中会产生更高的干扰耦合。阵列元件之间出现较高程度的相互耦合的主要原因是，基板内不希望产生的表面波导致电流分布失真。换句话说，由于l<λ0/2(l表示天线元件之间的空间距离；λ0表示自由空间波长)，单极相互作用阻止了光栅波瓣的形成，这反过来会导致输入阻抗失配。因此，互耦在旁瓣形成、波束扫描能力、信噪比(signal noise ratio，SNR)和包络相关系数(envelope correlation coefficient，ECC)等方面阻碍了MIMO天线的性能。

最近，已经对一些能够减轻天线之间耦合干扰的技术进行了研究，例如电磁带隙结构(electromagnetic band gap，EBG)[2]、中和线[3]、金属板[4]和有缺陷的地面结构(defected ground structure，DGS)[5]。其降耦合的原理是通过设计特殊的回波基底来吸收或控制谐振频率处的入射波电流，但这些技术的缺点是会产生反向信号泄漏，占用大量空间。例如，文献[5]所提出的DGS降耦合结构无意中损坏了地面结构，造成反向信号大空间辐射。在材料科学中，磁性超材料已用于低耦合天线设计，包括互补裂环谐振器(complementary split-ring resonator，CSRR)[6]、电容加载回路(capacitively-loaded loop，CLL)[7]、金属化[8]和π形元件的使用[9]。尽管上述技术有效地减少了表面波的发生，但阵列天线仍然在水平和垂直方向上产生多个波长。文献[6]的方案是使CSRR和CFS同时运行来产生预期效果。然而，这种设计增加了天线的结构复杂性和尺寸，εr=10.2的基板增加了材料成本。

为此，在稳定地面结构防止电流波反向损耗的基础上，本文提出了一种将tfss结构蚀刻在GP层的短截线模型，其设计的优势是地面延伸性能可以阻止反向信号泄漏和表面波扩散，并且同心多面体环空单元的间距较小，总成本低于文献[10]中方案的成本。此外，将表面波电流拓扑定向布线到一个整体平面结构中，可以实现互耦减少。所提出的tfss短截线结构可以减少E面产生的副瓣辐射，而且不会像原始天线那样引起交叉极化。另外，该模型有助于在两个小型天线元件之间仅1 mm的距离内提高隔离度。在天线结构设计过程中，利用ANSYS HFSS(高频结构模拟器)和Matlab软件对MIMO天线的S参数、ECC、DG、VSWR等性能进行了仿真、分析和优化。通过实际测试及应用，证明该方法可以有效地减少匹配监测、无线局域网和卫星通信中的互耦干扰。与之前的工作相比，该天线阵列具有更好的MIMO性能。

1 天线设计模型

微带天线设计模型如图1所示，使用蚀刻在GP上的tfss带阻特性绘制天线的几何结构，经HFSS仿真优化后其参数如表1所示。MIMO天线基板由一种低成本的常规FR_4环氧材料组成，其参数为εr=4.4，tanδ=0.02，基板厚度h1=1.5 mm。利用微带线馈线设计了两个厚度为h2=0.032 mm的同心多面体环隙的补片。双环铜制贴片作为设计天线辐射层，可以增加天线的有效电流长度和辐射间隔(等效环间电容和套环电感)，在地层添加tfss能有效延长回波电流，进而控制表面波走向。对于半径为r1×r4的环形贴片天线，贴片下的电场强度随两个同心多面体环的变化而变化[11]。贴片之间的距离为λ0/33.44 =1 mm(λ0是真空中的波长)。

图1 天线模型

表1 天线设计参数

通过对图2所示的8.97 GHz的电流分布的分析，可以推断出当V2=0时，电路对端口2的GP短路(对I1或I2短路时)，即电压V1激励左侧微带贴片，在右侧微带贴片上受激励附加电流。根据文献[12]，这意味着地平面上的有效电长度增加，共振频率降低，因此，反射器上的电流沿tfss路径延长流动，从而改变表面波走向。在图2中，由于电流I1和I2通过并联分布，因此电流波被tfss等效带阻滤波函数抑制，其中很大一部分电流被TFSS捕获。因此，插入的tfss起反射电流波，从而减少天线单元之间的耦合影响。

图2 电流分布

2 仿真与讨论

2.1 地层短截线MIMO天线阵仿真

为了评估天线的性能，在图3中呈现了有和没有tfss天线的模拟结果。使用tfss时，在8.97 GHz频率点内的最小耦合值约为S21=-55.12 dB，从而将互耦程度降低到47.8 dB(相比之下，在没有tfss的8.97 GHz下为-7.26 dB)。天线的阻抗带宽在8.0 GHz到9.3 GHz之间计算约为15.02%(S11<-10 dB)。

图3 加载tfss降耦对比

在图4中对比有和没有tfss的模拟结果时，phi=0°和90°平面内的主辐射图模拟结果表明，在θ=163°范围内，辐射效率最大值为86%，增益为3.5 dBi。在163°处引入额外的振荡器电流元件可增加方向性。在MIMO系统中，多样性和复用特性构成了ECC和DG的主要功能的主要方面。根据式(1)和式(2)所提出的加载tfss结构的MIMO天线设计的ECC满足低于0.5[13]，计算数据如图5所示，从而证明其令人满意的性能。

图4 E&H平面主要辐射方向图

图5 MIMO性能对比图

2.2 地层短截线MIMO性能

为了进一步显示地层短截线的MIMO天线的性能，考虑评估一些参数，例如ECC、DG和VSWR，其中ECC和DG的定义由S参数给出，如下：

(1)

(2)

在式(1)中导入S参数后计算出的ECC值在-10 dB带宽中较低(接近0.03)。此外，DG(使用时域有限差分软件计算)的分集性能非常高(DG≈10 dB，用TFSS从8.55 GHz到9.27 GHz)。根据MIMO天线阵列的要求，ECC指标要低于0.5。图5左侧轴显示了带和不带地层短截线结构MIMO天线阵的ECC值的比较。可以清楚地看到，从8.5 GHz到9.5 GHz，带地层短截线结构的ECC低于0.5，但在8.8 GHz与9.2 GHz之间，不带地层短截线结构MIMO天线的ECC低于所设计的模型。在图5右轴线中，从8.5 GHz到9.5 GHz，DG浮点比没有地层短截线结构的原始天线更加稳健。另外，研究还发现，从3.5 GHz到15 GHz，电压驻波比低于没有地层短截线结构的情况，特别是电压驻波比为1.5，因为在8.8 GHz与9.2 GHz之间，回波损耗均低于-10 dB(归一化辐射点)，易实现全波辐射。例如，基于谐振频率为8.95 GHz下的反射幅值[14]，在VSWR=1.224 2时观察到约10.7%的反射系数。网络分析仪N9918A.测试数据如图6所示，仿真与测试数据基本吻合。本文提出的ECC和DG都具有稳定的复用效率。在8.7～9.0 GHz的宽频率范围内可以获得令人满意的输入阻抗匹配性能(VSWR<1.6)。此外，在中心频率为8.97 GHz的VSWR=1.224 2，反射系数的大小分别为10.7%。

图6 仿真与测试对比

对所设计的天线阵和已有文献中报告的天线阵的MIMO性能进行了比较。由表2可知，该MIMO天线在谐振频段表现出最宽的带宽和最低的回波损耗。尽管文献[2]中报告的天线辐射效率比本文所设计的高，但是其天线阵之间的耦合干扰减小的幅度明显低于所设计的模型(相差18 dB)。文献[3]通过中折线设计能够获取最高的增益，但是相对带宽和降耦合幅度均低于本文所设计的模型。文献[5]所设计的DGS能够很好地实现降耦效果，但不足之处是相对带宽明显低于本文模型。总之，经模型优化仿真和实测后，地层短截线的MIMO天线在降耦合干扰、相对带宽、辐射率、VSWR、ECC和DG等方面均达到实际需求，符合MIMO传输系统的发展要求。

表2 结果比较

3 结论

为了减少8.5～9.5 GHz之间稳定辐射方向图的互耦，本文提出了一种三重短截线MIMO天线设计方案。该设计的等效滤波功能可抑制表面电流波。优化结果表明，tfss结构在不影响其他性能指标(如高频、低旁瓣、全波束扫描和高增益)的情况下有效地降低了互耦。因此，所提出的设计模型对MIMO天线的发展具有独特的实用价值。