CPW馈电的高隔离度超宽带MIMO槽天线设计

越志华,杜成珠,杨福慧

(1.上海电力大学 电子与信息工程学院,上海 201306;2. 中电科微波通信(上海)有限公司,上海 201802)

0 引言

自2002年美国联邦通信委员会(FCC)将超宽带(UWB)频带(3.1～10.6 GHz)开放民用后,UWB天线引起了学者们的广泛关注,得到了较大发展。UWB天线因具有功率损耗低,信息传输速率高及信道衰落低的优势而被广泛应用[1]。

多输入多输出(MIMO)技术的应用可以获取空间分集增益和空间复用增益,克服信道衰落,降低误码率,提高信道可靠性,提升通信质量。MIMO技术和UWB技术的结合可实现宽频带、长距离、大容量和高速率的无线通信。MIMO技术的关键是使发射端或接收端的多个天线互相独立,保持较高的隔离度,以获得更高的分集增益。近年来,在MIMO天线的研究中,学者们针对性地提出了不同的解耦方案,如缺陷地(DGS)法[2-3]、加载中和线法[4-5]、加载电磁带隙(EBG)法[6-7]、模式正交法[8-10]及加载隔离枝节[11-15]等。文献[3]采用缺陷地方法在接地板顶端刻蚀两个半径相等的半圆形槽,减小了两天线端口间耦合,实现了天线的高隔离度。文献[8]设计了一款正交放置的高隔离度柔性MIMO天线,在两个辐射单元间引入一个倒F枝节,使该天线在8～15 GHz频段的隔离度得到显著改善。互补开口谐振环(CSRR)也可用于提高天线隔离度。文献[11]加载了倒L形寄生枝节,提高了单元间隔离度,应用CSRR结构进一步提高了天线在低频频段(3～3.6 GHz)的隔离度。文献[15]将矩形槽刻蚀在地板上,并在天线单元间加载T型隔离枝节,使天线整个频段内的隔离度得到提高。

与常规微带线馈电的天线相比,采用共面波导(CPW)馈电的微带天线具有易加工、便集成、易与器件串并联、制作简单及对介质板要求低等优点,因此,CPW馈电方式在单片微波集成电路及其相关领域得到了普遍应用。

本文设计了一种高隔离度超宽带MIMO槽天线。天线由两个单极子槽天线对称放置组成,采用CPW结构进行馈电。通过对地板切角,天线的阻抗带宽得到拓展,引入的中和线结构能有效提高端口间的隔离度。实测表明,天线在2.88～11.18 GHz频段内回波损耗S11小于-10 dB,S21小于-20 dB,包络相关系数(ECC)小于0.002,分集增益(DG)大于9.996 dB。

1 天线结构设计

本文提出的高隔离度UWB-MIMO槽天线的结构图和实物图如图1所示。天线采用相对介电常数为4.4的FR4介质基板,基板厚度为0.8 mm,损耗角正切值为0.02。天线采用CPW馈电,整体尺寸为30 mm×56 mm,介质基板上蚀刻有两个单极子贴片、共面地板、CPW馈线及中和线结构,中和线结构由水平方向金属带和垂直方向几字形金属条带组成。天线尺寸的最终优化结果如表1所示。

表1 天线尺寸 mm

图1 天线的结构图和实物图

图2为天线的设计过程。设计步骤中天线I、II、III的S参数如图3所示。首先设计了一款基于CPW馈电的单极子槽天线,如图2(a)所示。天线I的阻抗带宽为3.95～11.51 GHz。如图2(b)所示,天线II由两个单元天线并排放置,中间没有解耦结构。通过调节单元天线间隔距离、CPW馈电线宽度以及馈电线与共面地之间的缝隙宽度,使天线II的阻抗带宽覆盖了2.42～11.33 GHz,但由于缺少解耦结构,在UWB范围内天线的S21仅小于-12 dB,天线没有足够的隔离度。

图2 天线演变过程

图3 天线I、II与III的S参数对比图

为了实现高隔离度特性,获得更大的分集增益,在天线之间加载中和线结构,得到了天线III,其结构如图2(c)所示。解耦结构的加入改变了天线的电流分布,中和线与激励端天线单元形成耦合,非激励端口的电流大幅减少, 从而实现了天线III的高隔离度。对比图3(a)、(b)可以看出,天线II、III的S11值变化不大,但S21变化明显。加载中和线解耦结构后,天线II在2.8～8 GHz频段内隔离度有明显的改善,S21都小于-20 dB,说明该MIMO天线具有较高的隔离度。

2 仿真和实测结果

本文利用ANSYS HFSS 19进行了天线的仿真设计和参数的优化分析,同时分析了地板切角和中和线结构对天线性能的影响,最后给出了天线的仿真和实测结果。

2.1 天线结构分析

2.1.1 地板切角对天线性能的影响

对地板切角能改善天线的阻抗匹配,图4为天线III地板切角的S参数对比。由图可看出,对MIMO天线地板对称切除三角形后,天线S21基本不发生改变,而天线阻抗带宽(S11<-10 dB)得到较大提升,由2.55～9.74 GHz拓宽至2.55～11.28 GHz,因此,该结构能有效地拓宽天线的工作带宽,而对天线隔离度基本无影响。

2.1.2 中和线结构对天线电流的影响

设计MIMO天线时需尽可能提高天线间隔离度,减小各个信道间的干扰,在天线单元间加载中和线结构,可有效地降低单元间的耦合,从而提高单元天线间的隔离度。为了验证中和线结构提高天线隔离度的有效性,在6 GHz时对天线II、III的表面电流分布进行了分析。端口1连接到激励源,端口2连接50 Ω的匹配负载,MIMO天线的电流分布如图5所示。由图可看出,当中和线被加载到这两个单元之间时,表面电流沿着中和线的路径流动,集中在中和线结构中,而不是流入端口2,端口2的电流密度明显降低,故中和线结构的应用有效地减小端口1,2间的干扰,从而提高了两者之间的隔离度。

图5 天线II、III电流分布

2.1.3 解耦结构中矩形槽尺寸的参数分析

解耦结构中矩形槽大小会影响天线单元间隔离度,L3、W3是矩形槽的重要尺寸。

图6为不同L3时天线的S参数。由图可看出,随着L3的增大,天线的S11变化较小,对带宽的影响较小,而天线的S21变化较大。当L3=4.2 mm时,基本满足20 dB隔离度的频带(为3～13.5 GHz),带宽中有少量频点的S21>-20 dB。L3=4.7 mm时,20 dB的高隔离度带宽的下界限降低,覆盖2.80～13.5 GHz频段。随着L3的增大,槽的宽度增加,由4.7 mm增大到5.2 mm和5.7 mm,在4.5～5.5 GHz和7～8 GHz时,天线的隔离度恶化,不满足20 dB的高隔离度要求。综合分析比较可知,L3=4.7 mm时,天线隔离度最佳。

图6 L3不同取值下S参数结果

图7为不同W3时天线的S参数对比图。由图可知,W3作为解耦结构的尺寸,几乎只影响天线的隔离度,随着W3变化,天线-10 dB阻抗带宽变化不大。由图7(b)可看出,随着W3增大时,在4～8 GHz时天线的隔离度增加,但天线满足20 dB高隔离度的频率点向右偏移。优化分析可知,W3=15.6 mm时,天线的S21表现最佳。

图7 W3不同取值下的S参数结果

2.2 S参数

S参数是反映天线性能的重要指标之一,通过使用安捷伦PNAL N5230A网络分析仪对加工天线的S参数进行测试。图8、9分别为天线S11、S21的仿真与实测对比图。由图可看出,天线的实测工作带宽覆盖2.88～11.18 GHz,相对带宽为118.1%,在天线工作频段内,S21均小于-20 dB,满足高隔离度的要求。仿真和实测数据的差异主要由加工精度,SMA接口损耗和实测时环境的不确定因素引起。

图8 S11仿真与实测结果

图9 S21仿真与实测结果

2.3 辐射方向图

图10为天线在3.5 GHz、7 GHz及9 GHz频点的仿真与实测的E、H面归一化方向图。

图10 E、H面归一化方向图仿真与实测结果

在测试MIMO天线方向图时,端口1接激励源,端口2接50 Ω的匹配负载。由图10可看出,在3.5 GHz、7 GHz时,天线的H面归一化远场辐射图近似呈圆形,具有全向辐射的特性,E面归一化方向图大体呈现“8”字,具有双向辐射特性。由于UWB天线在高频工作时辐射出更多的电磁波,其模式性能将下降。因此,在9 GHz时,H平面和E平面的辐射模式略有畸变。实测和仿真数据表明,该天线在超宽带内具有良好的辐射性能。

2.4 增益

天线的仿真与实测增益如图11所示。由图可知,天线在2.88～11.18 GHz工作频段内的增益为2.3～6.8 dBi,增益稳定,具有良好的辐射信号能力。由于测量环境的不确定因素和SMA接口损耗,实测和仿真数值之间存在一定的误差。

图11 仿真与实测增益结果

2.5 分集性能

ECC是描述MIMO天线分集性能的关键指标。ECC描述了天线元件被放置在有限区域时的相关程度,ECC数值越小,各信道间相关性越低,MIMO天线分集性能越好。利用双端口MIMO天线的公式[17],从S参数中可计算ECC值,即:

|S21|2)(1-|S21|2-|S22|2)]

(1)

MIMO天线分集性能的另一个重要参数是分集增益DG,它表示MIMO天线系统对信噪比能力的提高,其计算式[18]为

(2)

设计MIMO天线时,天线的一般要求ECC<0.5,DG>9.9。本文所提出天线的仿真和实测ECC<0.002,DG>9.996,这表明两单元天线间的端口具有良好的独立性,天线分集性能表现良好。

3 天线性能比较

表2为MIMO天线性能对比。由表可看出,本文提出天线的相对带宽较优。文献[11]采用侧馈,不具有CPW便于集成的优势。文献[9-10,12]虽然采用CPW馈电,但其接地板未连接在一起,没有公共参考电位,这可能导致其辐射不稳定。文献[15] 天线的隔离度不大,与本文天线相比,其解耦效果较差。从天线分集性能角度分析,本文所提天线的包络相关系数小于0.002,分集增益高于9.996。

表2 MIMO天线性能对比

4 结束语

本文提出了一种用于UWB通信的高隔离度MIMO槽天线。天线采用CPW馈电,由两个并排放置的天线单元和隔离结构组成。通过对地板切角,使天线获得了良好的阻抗匹配。通过在天线单元间加载的中和线隔离结构来提高天线的隔离度。经测量,天线S11小于-10 dB的相对带宽为118.1%(2.88～11.18 GHz),该频段内天线S21均小于-20 dB,增益稳定,最大增益为6.8 dB,ECC<0.005,DG>9.99。结果表明,该天线具有良好的性能,在UWB无线通信中具有较好的应用前景。