具有阻带特性的超宽带MIMO天线设计

李若萌,杜成珠,杨福慧

(1.上海电力大学 电子与信息工程学院,上海 200082;2.中电科微波通信(上海)有限公司,上海 200000)

0 引言

超宽带(UWB)天线的结构简单,工作范围宽,被广泛应用于雷达和通信等领域,其具有高容量、低功耗等特性[1]。美国联邦通信委员会(FCC)正式提出将3.1～10.6 GHz频段应用于民用超宽带通信后,超宽带天线便成为国内外学者的重点研究内容[2]。近年来,多输入多输出(MIMO)技术成为通信技术发展的核心内容之一。将超宽带和MIMO技术相结合,可使通信系统在发射功率一定的情况下,实现远距离稳定且高效的信息传输,提高了通信系统的准确性。MIMO天线由多个天线单元构成,若天线单元间距离过近或无隔离结构,则会产生耦合,将严重降低天线收发信号的性能。随着无线通信系统的发展,对于天线的小型化、便携性也提出了更高要求,如何在有限尺寸范围内提高天线单元隔离度,改善天线性能,是目前MIMO技术领域的重要研究内容。国内外学者们提出了多种去耦方法[3],包括分集技术、添加枝节法以及添加缺陷地结构(DGS)等。文献[4-7]通过将天线单元正交放置,获得极化分集,实现去耦;文献[8]通过引入T形枝节、文献[9]通过引入尖峰形寄生枝节,提高了天线的隔离度;文献[10]通过采用缺陷地结构以降低天线单元间的耦合。

超宽带通信频段内存在很多窄带信号,包括WiMAX(3.3～3.6 GHz),WLAN无线局域网(5.150～5.825 GHz)等。尽管超宽带MIMO天线凭借其优越性能而被广泛应用于无线通讯系统的传输中,但上述窄带通信系统同时工作时会产生干扰,降低了天线的性能[11],而阻带天线可以解决此问题。目前阻带技术主要包括开槽和加载寄生单元[12]。文献[13]通过引入T形短截线和U形寄生枝节实现双阻带特性;文献[14-16]通过开槽实现阻带特性。目前超宽带MIMO天线隔离度较低,结构复杂,不易于加工,因此,研究具有阻带特性与高隔离度的超宽带MIMO天线具有重要意义。

另外,馈电方式也会影响天线性能。与同轴馈电和微带线馈电方式相比,共面波导馈电(CPW)具有更好的传输特性,在集成电路中应用更广泛。

本文设计了一种基于CPW的高隔离度二阻带超宽带MIMO槽天线,它由两个正交放置的天线单元组成,辐射贴片是矩形与半圆形相结合的渐变形结构。在辐射贴片处刻蚀C形槽,以及在辐射贴片背部加载开口谐振环(SRR)可实现双阻带特性。在接地板45°轴线处引入栅栏形枝节,提高了天线的隔离度。天线工作带宽为3.00～10.66 GHz,在5.11～5.96 GHz和6.82～7.86 GHz处具有阻带特性,可以避免WLAN和X波段的干扰,端口隔离度S21均小于-27 dB。

1 天线结构设计

图1为天线结构示意图,天线采用FR4为介质基板,介电常数4.4,厚度为0.8 mm。天线整体尺寸为49 mm×49 mm×0.8 mm,其余结构尺寸参数如表1所示。

表1 天线尺寸 单位:mm

图1 天线结构示意图

天线的设计过程如图2所示。首先将两个天线单元正交放置,其中辐射贴片由矩形和半圆形拼接构成,采用共面波导馈电。辐射单元内为环状缝隙,电流的有效路径变长,进而可实现更宽的工作带宽。通过在接地板对角线处引入栅栏形隔离枝节来提高隔离度,此隔离结构由3条平行的长枝节与5条短枝节垂直放置组成。在天线1的辐射贴片上刻蚀C形槽,改变其位置和长度,得到天线2,由此可屏蔽窄带通信频段WLAN的干扰。C形槽的长度估算为

图2 天线结构演变过程

(1)

(2)

式中:c为光速;εeff为有效介电常数;fcenter为所需阻带的中心频率。

在天线2的基础上,背面加载了一个开口谐振环(SRR),使天线在X波段也具有阻带特性,此枝节与天线2中的C形槽圆心相同但半径不同。通过在天线背面加载枝节实现第二个阻带特性,可以避免阻带之间的相互影响,最终实现具有双阻带特性的天线3。天线1-3的S参数如图3、4所示。

图3 天线S11仿真结果

图4 天线S21仿真结果

按照优化后的天线模型进行加工,天线实物如图5所示。

图5 天线实物图

2 仿真及实测结果

本文使用电磁仿真软件Ansoft HFSS15分析了各结构对天线性能的影响,并结合天线实物的测试结果,讨论了天线的S参数、电流图、辐射性能、增益和包络相关系数(ECC)。

2.1 天线参数分析

2.1.1 C形槽对天线的性能影响分析

对C形槽的相关参数进行仿真分析。如图6所示,当C形槽的长度L1增加时,产生的阻带向低频方向移动。当L1=18.1 mm时,阻带带宽完全覆盖WLAN频带。

图6 不同尺寸L1的S11仿真结果

2.1.2 栅栏形枝节对天线的性能影响分析

在MIMO天线设计中,端口隔离度S21也是判断天线性能的重要因素。此天线通过在对角线处引入栅栏形隔离枝节,实现了天线的高隔离度。其隔离结构是由3根矩形枝节和5条与其垂直的短枝节构成,呈交叉分布。图7为天线引入隔离枝节前后的S21对比。由图可知,引入栅栏形隔离枝节后,S21明显下降,在工作频段内隔离度均小于-27 dB。

图7 添加隔离枝节前后S21对比

图8为引入隔离枝节前后的电流分布图。

图8 天线4 GHz处的电流分布图

由图8可见,在未添加栅栏形隔离枝节时,端口2的地板、馈线及辐射贴片处出现了大量的耦合电流,严重影响了MIMO天线性能。在添加栅栏形隔离枝节后,耦合电流几乎都集中在隔离枝节处,端口2附近的电流明显减少。

2.2 S参数及电流分布图

图9为天线S11的仿真和实测值。实测结果表示天线的工作带宽为3.00～10.66 GHz,满足超宽带天线的要求;在5.11～5.96 GHz和6.82～7.86 GHz频段处形成了两个S11高于-10 dB的阻带,成功地避免了WLAN和X波段两个窄带频段的干扰。

图9 天线S11的仿真与实测值

图10为天线S21仿真和实测曲线。由图可见,实测结果远好于仿真结果,该天线隔离度整体均在-27 dB以下,此结果远高于MIMO天线隔离度低于-15 dB的一般要求。

图10 天线S21的仿真与实测值

由图11(a)可见,当天线工作在5.5 GHz时,电流主要集中在辐射贴片处的C形槽附近,有效抑制了WLAN窄带频段的干扰。由图11(b)可见,当天线工作在7.5 GHz时,电流主要集中在天线背面的开口谐振环(SRR)附近,有效抑制了X波段的干扰。

图11 天线的电流分布图

2.3 辐射方向图

图12为天线在3.5 GHz、6 GHz、9 GHz处的方向图。天线的E面方向图为“8”字状,具有双向辐射性;H面方向图接近一个圆,可以在各个方向上实现接收和发送信号。仿真与实测结果有微小差距,这是由于实测环境和加工误差所导致,但天线整体仍可以满足要求。

图12 辐射方向图的仿真与实测结果

2.4 增益

图13为天线增益的仿真与实测结果,天线最高增益为4.8 dB,且增益在5.5 GHz、7.5 GHz处急剧下降,其余频带内较稳定。这表明该天线可以很好地抑制WLAN和X波段的信号干扰。

图13 增益的仿真与实测结果

2.5 包络相关系数

在MIMO系统中,包络相关系数(ECC)用于衡量天线信道之间的相关程度。若相关程度过高,则会降低天线性能,其可表示为

(3)

天线的包络相关系数仿真和测量数据如图14所示,由图可见,在工作频段内包络相关系数始终远小于0.03,说明此MIMO系统中各信道独立性较高,符合设计要求。

图14 ECC的仿真与实测结果

3 天线性能比较

表2为本文所述天线与其他天线的性能参数对比。

表2 天线性能参数对比

由表2可见,本文设计的天线具有较高的隔离度,且采用CPW馈电,应用范围更广,可以同时阻断多个窄带通信信号的干扰,包括WLAN和X波段。

4 结束语

本文设计了一款基于共面波导馈电的高隔离度二阻带超宽带MIMO槽天线。天线以FR4为介质基板,由两个正交放置的天线单元组成,通过在辐射贴片处刻蚀C形槽,以及在辐射贴片背部加载开口谐振环(SRR),抑制了WLAN和X波段两个窄带信号的干扰,引入的栅栏形枝节提高了天线的隔离度。实测结果显示,该天线工作范围为3.00～10.66 GHz,在5.11～5.96 GHz和6.82～7.86 GHz处具有阻带特性,隔离度S21均低于-27 dB,包络相关系数小于0.03。该结果表明此天线工作范围宽,隔离度高,具有良好的辐射性能,在抑制窄带信号的超宽带MIMO通信领域具有重要价值。