面向毫米波MIMO 的方向图去耦印刷偶极子天线

南敬昌 ,曹京涛 ,杨楠

(1.辽宁工程技术大学 电子与信息工程学院,辽宁 葫芦岛 125105;2.辽宁省无线射频大数据智能应用重点实验室,辽宁 葫芦岛 125105;3.中山大学电子与信息工程学院,广东 广州 510006;4.广东省光电信息处理芯片与系统重点实验室,广东 广州 510006)

在信息技术日新月异的当下,人们对无线通信系统大容量、高速率、低延时的需求越发迫切。毫米波MIMO(Multiple-Input Multi-Output)技术兼具毫米波通信的高速、低延迟特性[1-3]以及MIMO 多天线技术在提升通信系统容量、提高频谱利用率方面的优势[4-5],已经成为5G、6G 通信中的关键技术。作为电磁波的收发设备,毫米波MIMO 天线在整个通信系统中发挥着重要作用的同时,也面临着天线单元间的耦合问题[6]。天线间的电磁耦合会引起端口隔离度的降低、天线单元方向图畸变、匹配恶化、系统效率下降等一系列问题,从而对整个通信系统的容量带来不利影响[7-8]。因此,开展毫米波MIMO 天线的去耦研究对于提升整个通信系统的质量有着重大意义。

关于MIMO 天线去耦,学者们已经进行了大量的研究[9-12]。2019 年,王卫民等将一种通过曲折金属条相连的蘑菇形EBG 结构用于双频MIMO 天线去耦,3.48 GHz 和4.88 GHz 两个工作频段对应的端口隔离度分别被提升至26 dB 和 44 dB[13]。2019 年,Jafargholi 等利用容性加载环的表面波衰减特性,在E面耦合的1×2 微带天线中间放置由容性加载环组成的超材料墙实现去耦,端口隔离度可达40 dB[14]。2019年,李敏等提出一种由串、并联电容器组成的L 形去耦匹配网络用于平行放置的1×2 单极子天线去耦,端口隔离度可从5 dB 提升至30 dB[15]。2022 年,杨晨等使用介质块包裹单极子天线,利用介质块内部产生的场谷实现了大于20 dB 的端口隔离度[16]。以上这些去耦研究主要关注点在于天线端口隔离度的提升,却忽略了方向图的抖动、波束偏转等畸变问题[13-16]。

在传统的端口去耦基础上,通过消除MIMO 天线单元辐射方向图因电磁耦合而产生的波束偏转、凹陷等畸变失真使天线单元的方向图恢复至均匀、一致的状态,又被称为MIMO 天线的方向图去耦[17]。2020年,孙利滨等使用共模差模抵消法在1×2 平面倒F 天线的去耦设计中实现了超过22 dB 的端口隔离度,且天线单元的辐射方向图无偏、无畸变[18]。2022 年,仝昌武等基于场叠加原理利用去耦金属柱对两个零间距的介质谐振器天线实现了方向图去耦,工作在模式的天线单元的辐射方向图被修复成均匀一致的状态,且最大辐射方向被纠正为沿着正天顶[17]。在该去耦设计中,通过去耦金属柱产生的感应场与耦合天线单元内的原始感应场具有等幅反相关系。由于耦合单元内的感应场可以被抵消干净,因此同时实现了方向图去耦和端口去耦。到目前为止,已经有不少方法可以在2 元MIMO 天线中实现方向图去耦,但在更高维度的MIMO 天线去耦设计中,天线单元方向图仍旧存在着偏转、凹陷等畸变[19]。

基于以上问题,本文提出了一种基于短路枝节的方向图去耦方法,在1×4 MIMO 印刷偶极子天线的设计中可对发生畸变的天线单元辐射方向图进行波束纠偏与凹陷修复,实现方向图去耦。在偶极子辐射臂与基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)馈电结构之间引入短路枝节,通过调节耦合单元上感应电流的幅度和相位最终修复了畸变的方向图。最后在5G 毫米波n260 频段设计、制作了方向图去耦的1×4 MIMO 印刷偶极子天线实物,实测结果与理论仿真结果吻合良好,验证了提出的方向图去耦方法的有效性。

1 方向图去耦的1×4 MIMO 偶极子天线设计

1.1 天线结构

图1(a)展示了提出的方向图去耦的1×4 MIMO 印刷偶极子天线结构示意图,天线被设计在37～40 GHz的5G 毫米波n260 频段[20]。天线板材为0.508 mm 厚度的RO4003C,其相对介电常数和损耗角正切分别为3.38 和0.0027。偶极子天线的辐射臂印刷在上下基板表面,采用基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)作为巴伦实现馈电[21]。相邻天线单元的中心间距固定为SIW 的宽度Wsiw(0.47λ0,λ0为工作中心频率38.5 GHz 所对应的自由空间波长),偶极子天线通过平行放置组成E面耦合的1×4 MIMO 阵列。偶极子天线的辐射臂与SIW 地板之间通过短路枝节相连,引入该短路枝节可调节耦合单元辐射臂上感应电流的幅度和相位,从而实现方向图去耦。

图1 1×4 MIMO 偶极子天线结构Fig.1 Configuration of 1×4 MIMO dipole antennas

为了便于对比去耦效果,在图1(b)中给出了未进行方向图去耦设计的参考天线,天线单元工作中心频率以及中心间距均和图1(a)中MIMO 天线保持一致,SIW 馈电结构也有着相同的设计尺寸。图1(a)、(b)中MIMO 天线的设计参数均在表1 中给出。

表1 天线结构参数表Tab.1 Antenna structure parameters mm

1.2 天线性能

使用三维电磁仿真软件ANSYS HFSS 完成了MIMO 天线的S参数和方向图的仿真计算。图2(a)、(b)中分别展示了1×4 MIMO 印刷偶极子天线在方向图去耦前后的两种情形所对应的S参数,反射系数在37～40 GHz 范围内均优于-15 dB。如图2(a)所示,在目标设计频段37～40 GHz 范围内,未进行方向图去耦的相邻端口间S21和S32为-14.6～-15.6 dB。而方向图去耦后,如图2(b)所示,S21则改善至-19.8～-20.4 dB,平均可获得5 dB 的端口隔离度提升。方向图去耦后的S32也改善至-17.4～-18.5 dB,平均获得3 dB 左右的隔离度提升。非相邻的端口S31在未进行方向图去耦时为-22 dB,方向图去耦后则改善至-22.8～-24.2 dB,隔离度得到2 dB 左右的略微提升。综上,提出的方向图去耦的方法对于相邻端口的隔离度有着3～5 dB的增强效果。端口隔离度大于17 dB,能够满足MIMO多天线系统对于15 dB 端口隔离度的要求。

图2 1×4 MIMO 偶极子天线仿真S 参数Fig.2 Simulated S-parameters of 1×4 MIMO dipole antennas

为了直观展示提出的1×4 毫米波MIMO 印刷偶极子天线的方向图去耦效果,在图3 中给出了各个天线单元在38.5 GHz 频点处的E面辐射方向图的仿真对比结果。天线1 的E面方向图去耦前后的对比如图3(a)所示。由于天线间的电磁耦合,方向图去耦前的天线1 的E面最大辐射方向相对正天顶方向(θ=0°)偏离了+30°。在进行方向图去耦后,天线1 的最大辐射方向则被纠正到近似沿着正天顶方向的-2°。类似的波束纠偏效果也可在图3(d)中观察到,天线4 的最大辐射方向从-32.5°被纠正至近似沿着正天顶方向的+2°。因此,方向图去耦得以实现。

图3 1×4 MIMO 偶极子天线去耦前后的E 面仿真结果Fig.3 Simulated E-plane of 1×4 MIMO dipole antennas with and without radiation pattern decoupling

在图3(b)、(c)中分别对比了天线2 和天线3 在方向图去耦前后的E面方向图。在方向图去耦前,天线2 和天线3 的波束在天顶方向附近会由于电磁耦合而形成凹陷,从而导致该处增益相比最大辐射方向出现了1.5～2 dB 的下降。并且,此时天线2 和天线3 的最大辐射方向分别偏离天顶方向+44°和-54°。在方向图去耦后,天线2 和天线3 的方向图最大辐射方向均被严格恢复至正天顶,且波束对称性良好。

表2 中详细列出了方向图去耦前后的1×4 MIMO印刷偶极子天线各个天线单元E面波束在37,38.5,40 GHz 三个频点处的最大辐射方向所在角度,即波束偏转角。可以看出,在未进行方向图去耦的参考天线中,各个天线单元E面波束的最大辐射方向在不同频点处均偏离正天顶方向,对应的波束偏转角在±19°～55°间。在进行方向图去耦后,天线单元的波束偏转角则被纠正至±6°以内,其中天线2 和天线3 在38.5 GHz 和40 GHz 频点处被严格恢复至θ=0°的正天顶方向,实现了方向图的纠偏。

表2 方向图去耦前后天线1～4 的E 面波束偏转角Tab.2 E-plane tilted angle of antenna 1-4 with and without radiation pattern decoupling

1.3 方向图去耦原理分析

引入短路枝节后,一方面可以将耦合单元的感应电流短路到地面从而使其幅度得到衰减,另一方面则可以对耦合单元上感应电流的相位进行调节。为验证方向图去耦原理,在图4 中给出了方向图去耦前后的1×4 MIMO 印刷偶极子天线在38.5 GHz 处的表面电流分布示意图。天线任意端口被激励时,其余端口均端接50 Ω 匹配负载。如图4(a)所示,在方向图去耦前,当天线1 被激励时,相邻偶极子辐射臂上会因耦合出现强烈的反相感应电流,这部分反相感应电流在远场区域与被激励的天线1 的场相互作用,从而导致天线1 的辐射方向图发生畸变。图4(b)中,在加入短路枝节后,耦合单元的辐射臂上的反相感应电流被大幅削弱。通过优化短路枝节的引入位置,可调节耦合单元辐射臂上感应电流的幅度和相位,进而实现方向图去耦。天线2 被激励时,类似的电流分布结果也能在图4(c)、(d)中观察得到,验证了短路枝节实现方向图去耦的原理。

图4 38.5 GHz 1×4 MIMO 偶极子天线的电流分布Fig.4 Current distribution of 1×4 MIMO dipole antennas at 38.5 GHz

2 天线测量与分析

为验证设计,制作了方向图去耦的1×4 毫米波MIMO 印刷偶极子天线样机,实物照片如图5(a)所示。为便于测试,制作了接地共面波导(GCPW,Grounded Coplanar Waveguide)转SIW 的4 端口馈电网络。测试所用接头为2.4 mm-Female 免焊连接器,其理论插入损耗小于0.05 dB。由于天线样机的基板整体机械强度欠缺,为了避免测试过程中基板发生形变而引入额外的测量误差,故使用了1 mm 厚度的金属垫片用作机械支撑,如图5(b)所示。图5(c)展示了天线实物对应的仿真模型,HFSS 的计算结果表明金属垫片并不会对天线的辐射方向图和S参数测试产生影响。天线S参数验证使用的是Agilent N5247A 矢量网络分析仪,天线的辐射方向图和增益在微波暗室中完成验证,测试场景如图5(d)所示。在测试远场参数时,天线任意端口在被单独激励时,其余端口均连接50 Ω 匹配负载。

2.1 S 参数

图6 展示了方向图去耦的1×4 毫米波MIMO 印刷偶极子天线实测与仿真S参数对比结果,实测与仿真结果均已经包含馈电网络的影响。实测与仿真之间吻合良好,轻微的差异主要来自天线的加工误差以及仪器的测量误差。每个天线单元的S11<-10 dB,带宽均覆盖5G 毫米波n260 (37～40 GHz)目标设计频段。其中,天线2 和天线3 的反射系数测试结果与仿真之间有着0.3 GHz 的最大误差。相对于工作中心频率38.5 GHz 而言,该误差仅为0.7%,这在天线仿真与实际测量结果对比中可以忽略不计。在37～40 GHz 范围内的相邻端口隔离度实测大于23.5 dB,其中|S21| 可超过28 dB。

2.2 辐射方向图与增益

图7 给出了方向图去耦的1×4 MIMO 印刷偶极子天线各个天线单元在38.5 GHz 频点处的E面、H面辐射方向图,实测和仿真结果吻合良好。天线1 和天线4 的E面实测最大辐射方向均沿着正天顶方向,验证了提出的方向图去耦方法的有效性。天线2 和天线3的E面在38.5 GHz 处最大辐射方向分别偏离正天顶方向16°和-10°,与正天顶方向上的增益差分别为0.7 dB和0.8 dB。相较于偶极子天线而言,测试环节所引入的馈电网络和连接器有着无法忽视的体积,由之引入的散射会不可避免地对天线辐射方向图产生抖动、波束偏转等不利影响。类似的结果可在文献[22]中观察到。

图8(a)～(d)中分别给出了天线单元1～4 所对应的实测增益与仿真结果的对比曲线图,实测与仿真之间的整体趋势基本一致且有着良好的吻合度,天线单元实测平均增益为2.5 dBi。值得注意的是,理想情形下的SIW 端射半波印刷偶极子天线增益是4 dBi,实测增益偏低主要是馈电网络引入的额外插入损耗所致。

图8 仿真与实测增益Fig.8 Simulated and measured gain

在37～40 GHz 的目标频段内,增益实测结果与仿真值之间的最大差异为1 dB,这主要来自天线在测量过程中的对准问题以及仪器的测量误差。除此之外,测试增益曲线自身也有一定程度的抖动,抖动范围在1 dB 以内。这种程度的增益测试差异和抖动在毫米波频段的天线设计中属于可以接受的良好范围之内[6,23]。

2.3 性能对比

将本文提出的方向图去耦的1×4 毫米波MIMO 印刷偶极子天线与近年发表的文献相关工作进行对比,如表3 所示。文献[12]使用阵列去耦表面在1×8 微带天线中实现方向图去耦和超过25 dB 的隔离度,但阵列去耦表面需要放置在天线上方0.3λ0处,而本文基于短路枝节提出的去耦方法则不需额外牺牲天线的剖面高度。且阵列去耦表面主要针对的是端口去耦,并不能确保端口去耦后的辐射方向图一定是无畸变的[19]。相比文献[17],本文提出的方向图去耦方法具备可扩展性。本文和文献[14-16]都获得超过20 dB的端口隔离度,但相比之下,本文提出的1×4 MIMO印刷偶极子天线可在更高维的线阵中获得无偏、无畸变的方向图。

表3 天线性能参数对比Tab.3 Comparison of antenna performance parameters

3 结论

本文提出了一种方向图去耦的1×4 毫米波MIMO印刷偶极子天线。在偶极子的辐射臂和地板之间的适当位置引入短路枝节,通过调节耦合单元辐射臂上感应电流的幅度和相位实现了方向图去耦。在37～40 GHz 目标频段内,实测端口间隔离度超过23.5 dB,最高可达30 dB。发生波束偏转的天线单元辐射方向图的最大辐射方向被纠正到正天顶,凹陷的辐射方向图也得以修复,方向图去耦得以实现。本文提出的方向图去耦的1×4 毫米波MIMO 印刷偶极子天线端口隔离度良好,具有无偏、无畸变的方向图,适合应用于毫米波MIMO 系统。