一种结构紧凑的高隔离度MIMO天线

黄 涛，杨雪霞

(上海大学 通信与信息工程学院，上海 200444)

0 引言

随着5G/6G移动通信的快速发展,人们对高速和高质量数据传输的需求日益增加,多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术成为无线通信系统的关键技术。MIMO系统在接收端和发射端采用多个天线,可以在不增加频谱和功率资源的情况下,大幅度提高无线通信系统的信道容量[1-3]。然而,在尺寸受限的终端或便携式设备中,天线单元的紧密排列会导致天线单元之间存在较高的互耦,从而降低MIMO性能。因此,设计一款结构紧凑、单元间隔离度高的MIMO天线是非常重要的。

MIMO天线大多基于微带贴片,相邻贴片天线之间的互耦一般由地板上的表面电流和近场耦合引起[4]。为了解决这个问题,针对贴片MIMO天线提出了不同的去耦技术,根据工作原理大致可以分为3种。

第一种去耦技术是阻断和抑制天线单元之间的耦合电流,可以利用超表面结构[5]、电磁带隙[6]和缺陷地结构[7-8]来实现。超表面结构和电磁带隙具有明显的解耦效果,但结构复杂、占用空间大。缺陷地结构能有效阻挡表面波,然而,刻蚀的缝隙会产生额外的后向辐射,从而恶化辐射性能。

第二种去耦技术是应用分集方法降低多天线间的相关性,包括空间分集[9]、方向图分集[10]和极化分集[11]。这些方法通常需要较大的单元间距,或者隔离度提升有限。

第三种去耦技术是引入一个新的耦合路径来抵消原来的耦合,可以通过中和线[12-14]和寄生枝节[15-18]来实现。然而,中和线会影响天线的性能,增加设计的难度。寄生枝节通常需要较大的单元间距和复杂的去耦结构。

基于以上问题,本文提出一种紧凑型的高隔离度MIMO天线。该天线具有结构紧凑、剖面低和单元间隔离度高的特性,适用于未来5G移动终端。

1 天线结构设计

所提出的天线结构如图1所示,天线仅由一层F4BX220介质板构成,相对介电常数为2.2,损耗角正切为0.001 5,整体尺寸为85 mm×45 mm×1.5 mm。2个方形辐射贴片位于介质板的上表面,且边到边间距仅有1 mm(0.011λ0,λ0为天线中心频率对应自由空间的波长),并由同轴探针直接馈电,介质板的下表面是接地面。U型枝节放置在2个天线单元的上下两侧,其与方形贴片之间的距离为0.75 mm(0.008λ0)。

图1 天线结构示意Fig.1 Configuration of the proposed antenna

利用HFSS仿真软件构建天线模型并对天线的结构参数进行仿真优化,最终得到的天线几何尺寸如表1所示。

表1 天线尺寸

由于2个天线单元间的边到边距离非常小,仅有0.011λ0,导致天线单元间的耦合较大,需要进行去耦设计以获得性能良好的天线。天线的去耦设计过程如图2所示。为了提高天线的隔离度,首先是在原有天线的基础上引入了矩形金属条,形成天线1。去耦原理是当矩形金属条的长度约等于半个介质波长时,其表面会产生与主辐射贴片表面电流方向相反的电流,从而产生反相的场,以削弱2个天线单元间的耦合,提高隔离度。

(a)天线1

(b)天线2

上述去耦结构简单,去耦效果也很好,但是仅适用于二元贴片天线阵。因为矩形金属条的长度约等于半个介质波长才能起到去耦作用,一旦天线阵列扩大,需要引入多个矩形金属条,各个矩形金属条之间就会发生重叠,去耦结构会被破坏。因此,需要对该去耦结构作进一步的改进。通过弯折的方式以延长电流路径,将矩形金属条改进成U型枝节,形成天线2。贴片和U型枝节表面电流的方向如图3所示,当U型枝节的总长度约等于半个介质波长时,同样会产生一条等幅反相的新耦合路径来抵消或削弱原来的耦合,起到与原矩形金属条相同的去耦效果,该结构不仅适用于二元阵,也可应用于多元贴片天线阵列的解耦。

图3 端口1激励时贴片和U型枝节表面电流方向Fig.3 Surface current direction of the patch and the U-shaped branch when excited by port 1

在有和没有U型枝节的情况下,对贴片表面电流的分布进行了仿真,如图4所示。当左侧的天线单元被激励时,未引入U型枝节的右侧天线单元上产生了强烈的耦合电流,而引入U型枝节的右侧天线单元上几乎没有产生耦合电流,说明该去耦结构具有良好的隔离效果。有无U型枝节的隔离度仿真曲线如图5所示,可以看出,引入U型枝节可将天线频段内单元隔离度从6 dB提高到22 dB,在中心频率处的隔离度达到了30 dB。

图4 端口1激励时贴片表面电流分布Fig.4 Surface current distribution of the patch when exited by port 1

该去耦方法是通过在U型枝节上产生等幅反向的新耦合场,以削弱或抵消原耦合,新耦合场会对天线的辐射造成一定的干扰,导致天线增益和辐射效率略有下降。有无U型枝节的增益频响曲线如图6所示,引入U型枝节后,天线峰值增益为6.3 dBi,相比未引入U型枝节,增益下降了0.6 dBi。天线辐射效率变化曲线如图7所示,在工作频带范围内,有无U型枝节的天线最大辐射效率分别为95.5%和96.9%。可见U型枝节对天线增益和辐射效率产生的影响很小。

图5 有无U型枝节的隔离度仿真结果Fig.5 Simulation results of isolation with and without U-shaped branch

图6 增益频响曲线Fig.6 The gain-frequency curve

图7 辐射效率频响曲线Fig.7 The radiation efficiency-frequency curve

2 天线仿真与实测结果

本文利用电磁仿真软件Ansoft HFSS对天线的结构和参数进行了仿真,为了验证天线的实际性能,对设计的MIMO天线进行了加工制作,并利用微波暗室和型号为N5227矢量网络分析仪进行了实际测试。综合天线的测试结果,讨论了天线的各项性能。天线实物如图8所示。

(a)天线正面

(b)天线背面

2.1 S参数

天线仿真和实测的S参数随频率变化曲线如图9所示。仿真得到的天线|S11|<-10 dB带宽为3.475～3.525 GHz,实测结果为3.475～3.520 GHz。仿真隔离度在整个匹配带宽内高于22 dB,实测隔离度高于21.5 dB。实测与仿真存在的微小偏差主要来源于加工和实测引入的误差。该天线在反射系数和隔离度方面的实测和仿真结果均能满足实际工程的要求,有着良好的性能。

图9 天线仿真和实测结果Fig.9 Simulated and measured results of the antenna

2.2 辐射性能

二元贴片天线在3.5 GHz处的仿真和实测辐射方向图如图10和图11所示。在E面,由于相邻贴片单元对主辐射贴片单元起到引相器的作用,2个天线单元的辐射方向图都呈现出轻微的非对称性。天线的仿真和实测增益分别约为6.3、5.9 dBi。仿真和实测交叉极化分别为-43、-40 dBi。在H面,2个天线单元的辐射方向图对称且相同。天线的仿真和实测增益分别约为6.2、5.8 dBi。仿真和实测交叉极化分别为-42、-37 dBi。

图10 端口1激励时天线仿真和实测辐射方向图Fig.10 Simulated and measured results of radiation pattern excited by port 1

图11 端口2激励时天线仿真和实测辐射方向图Fig.11 Simulated and measured results of radiation pattern excited by port 2

天线增益及辐射效率的仿真和实测结果如图12所示。

图12 天线仿真和实测结果Fig.12 Simulated and measured results of the antenna

由于转接头损耗和线缆损耗,天线实测增益和辐射效率略低于仿真值。在频带范围内,天线仿真增益为6.1～6.3 dBi,实测增益为5.7～5.9 dBi,天线仿真辐射效率为94.2%～95.5%,实测辐射效率为93.1%～94.2%。

2.3 ECC曲线图

由于收发两端多天线组成的信道可能是相关或者不相关的,相关性的程度会极大地影响MIMO天线的接收性能。为了在研究中更直观地讨论天线的相关性,工程上通常使用包络相关系数作为衡量MIMO系统性能的重要指标。一般,低包络相关性表现出高分集增益。包络相关系数(Envelope Correlation Coefficient,ECC)可由S参数通过下式计算得到:

(1)

由于端口的对称性,S11和S12分别与S22和S21近似,将仿真和实测得到的S参数分别代入式(1),最终的ECC曲线如图13所示。在工作频带内实现了仿真ECC小于0.006和实测ECC小于0.008的优异分集性能。

图13 ECC的仿真和实测结果Fig.13 Simulated and measured results of ECC

3 多天线阵列的解耦

所提出的1×4贴片阵列结构如图14所示。相邻单元之间的边距仅为1 mm(0.011λ0),通过在每组相邻单元两侧引入U型枝节,实现了良好的互耦抑制性能。

(a)阵列透视图

(b)阵列俯视图

天线阵列仿真结果如图15所示。天线|S11|<-10 dB带宽为3.475～3.520 GHz。相邻单元之间的隔离度从6 dB提高到20 dB,非相邻单元间隔离度均高于23 dB。由于贴片单元两侧紧密排布的影响,四元阵的隔离度相比于二元阵略有恶化,但仍能满足MIMO天线隔离度高于15 dB的要求。

图15 四元天线阵仿真结果Fig.15 Simulated results of quaternary antenna array

4 结束语

本文提出了一种结构紧凑的高隔离度MIMO天线,通过引入2个简单的U型枝节以产生与原耦合相抵消的新耦合路径,从而提高天线单元间的隔离度。实测结果表明,在3.475～3.520 GHz的匹配带宽内,所提出的去耦方案可将天线隔离度从6 dB提高到22 dB以上,且天线单元边到边的距离仅有0.011λ0,ECC小于0.008。通过仿真验证,此去耦结构也可应用于多天线阵列的解耦。该MIMO天线有着结构紧凑、剖面低和单元间隔离度高的优良特性,适用于5G移动终端。