四元超宽带高隔离MIMO槽天线的设计

舒海峰,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 201800)

0 引言

近年来,随着无线通信技术的快速发展,人们对通信系统的带宽、传输速率及通信质量的要求不断提升。多输入多输出(MIMO)技术能有效减小因信道多径效应产生的影响,降低误码率,提高通信系统的可靠性[1]。同时MIMO系统采用多个天线进行收发,能实现更高的数据传输率和信道容量。目前频谱资源日益紧张,超宽带(UWB)通信系统因具有高数据传输速率、抗多径干扰、穿透能力强、低成本及高精度等优势而备受关注[2]。2002年,美国联邦通信委员会(FCC)首次将3.1～10.6 GHz划分到民用通信领域[3],超宽带天线逐渐成为国内外学者的研究热点。常规的微带贴片天线[4]、平面螺旋天线[5]、Vivaldi天线[6]和对数周期天线[7]等均能实现超宽带特性,且各有优点。微带天线成本低,易加工;平面螺旋天线体积小,但对加工精度要求较高;Vivaldi天线和对数周期天线的尺寸偏大,但它们与平面螺旋天线一样都具有端射特性,能实现定向辐射。

将超宽带与MIMO技术相结合,能大幅提升通信系统性能,使其具有传输速率高,抗多径衰落能力强的特点。采用微带形式来实现超宽带有许多办法,如采用缺陷地结构(DGS)[8-10]、共面波导(CPW)馈电[11]、将馈线进行渐变设计[12]等。在多元MIMO天线中,如何降低单元之间的隔离度也是设计的难点之一。常用的方法有:通过将各个单元正交放置,使其两两垂直,再利用极化分集来提高隔离度[13];通过在单元之间加载隔离结构[14]或分形解耦枝节[15]来增加耦合路径,降低单元间的互耦;加入中和线[16]和EBG[17]结构同样能实现好的隔离效果。目前所提出的超宽带MIMO天线多采用侧馈的馈电方式,但对于飞速发展的今天我们需要集成能力更强的天线。采用CPW馈电的槽天线因其辐射贴片与地板均在同一个面,相比于侧馈的馈电方式,采用该馈电方式的天线更易被应用于集成通讯系统中。

基于上述考虑,本文提出了一款CPW馈电的四元超宽带高隔离的MIMO天线。天线由4个槽单元天线组成,采用切角和缺陷地结构(DGS)实现的工作频段能覆盖2.86～11.1 GHz。单元天线采用正交放置,同时在基板中间加载了隔离栏栅结构,使各单元间的隔离度优于20 dB。天线整体结构紧凑,具有全向辐射性,在工作频段去耦性能优异。

1 天线结构设计

1.1 天线整体结构

本文所设计的天线采用FR4介质基板,其介电常数和厚度分别为4.4和0.8 mm。天线结构和实物如图1所示,整体尺寸为65 mm×65 mm×0.8 mm。天线由4个单元槽天线组成。单元天线采用共面波导的方式进行馈电,并通过采用缺陷地结构和切角的方式实现了超宽带特性。为了提高各端口之间的隔离度,4个单元天线正交放置并在中间加载隔离栏栅结构。天线具体尺寸如表1所示。

表1 天线参数尺寸 mm

图1 天线结构和实物图

1.2 天线的设计过程

图2给出了天线的具体设计过程。天线Ⅰ为最初设计的天线,其采用共面波导馈电,单元天线正交放置以提高隔离度,同时将矩形贴片及接地板进行切角处理,进一步扩大了天线的阻抗带宽,实现了超宽带特性。天线Ⅱ在天线Ⅰ的基础上加入“十字形”隔离栏栅结构,使各端口之间的隔离度在工作频段能达到20 dB。

图2 天线的设计过程

2 天线仿真分析

本文采用商用电磁仿真软件HFSS 15.0进行天线的仿真设计。图3描述了从天线Ⅰ到天线Ⅱ各S参数的变化。由于天线是中心对称,文中不再给出S41的变化过程。由图3(a)可见,天线Ⅰ对矩形贴片和接地板进行了切角处理,改善了贴片表面电流的均匀分布,提高了输入阻抗的稳定性,在很大程度上拓展了天线的带宽,最终频带能覆盖2.33～11.22 GHz,实现超宽带特性。天线Ⅰ将单元天线正交放置,在空间中实现了极化分集。在图3(b)中可以看出天线Ⅰ的S21在工作频段均小于-20 dB。

图3 天线Ⅰ到天线Ⅱ S参数的变化

由于天线Ⅰ的S31在2～4 GHz约为-15 dB,为了改善此情况,在天线Ⅱ中加载了“十字形”隔离栏栅结构,将耦合电流集中到隔离结构上,从而增加天线的解耦能力。加入隔离栏栅结构后,天线的S31在低频明显降低,改善了低频的互耦情况,同时对天线的回波损耗几乎无影响。尽管S21低频有所上升,但在3.1～10.6 GHz上隔离度均优于20 dB。

图4为天线加载隔离结构前后的电流对比图。由图4(a)可见,无隔离结构的天线隔离性差,大量电流从激发端口1流向其他端口。由图4(b)可见,添加隔离结构后,相互耦合电流显著降低,隔离分支阻止了来自端口1的电流流入其他天线元件,这表明隔离结构具有很好的隔离效果,使天线具有良好的隔离性能。

图4 天线Ⅰ和天线Ⅱ的电流分布图

由于隔离分支主要能有效地在较低频段(2～4 GHz)内改善天线的S31,所以对天线的S31进行了分析。图5为不同数量的隔离枝节的S31变化情况。由图可见,当枝节数为3时,S31在所有频段都小于-20 dB。

图5 不同隔离枝节数对S31的影响

3 天线加工与实测

使用矢量网络分析仪对天线的S参数进行测试,实测结果如图6所示。天线实测带宽能覆盖2.86～11.1 GHz,端口间的隔离均优于20 dB。由于环境因素和焊接的影响,实际的测试结果与仿真结果有差别,但是在超宽带范围内均小于-10 dB,阻抗匹配都较好,满足超宽带范围内信号的输入与输出。

图6 天线S参数实测仿真对比图

在专业微波暗室中测试天线的远场方向图。图7给出了天线在3 GHz、5 GHz、7 GHz和9 GHz仿真和测试的远场辐射情况。该天线E面大体呈“8”字形,H面呈“O”字形,具有良好的辐射性能。由于测试环境的不确定性和制造公差,测量结果与仿真结果略有不同,但总体辐射性能良好。

图7 天线辐射方向图的仿真与测试结果

天线的实际增益和仿真增益如图8(a)所示,测试增益为2.78～7.29 dB。在某些频率下,测量的增益比模拟的增益略弱,这通常归因于测量环境的不确定性和SMA连接器的损失。为了评估 MIMO 系统中各个天线单元之间的相关性,图8(b)给出了实测和仿真的参数包络相关系数(ECC)。仿真与测试所得ECC值在超宽带范围内都低于0.006,表明天线各端口间具有良好的独立性,隔离性能优异。

图8 天线增益、ECC实测仿真对比图

表2是本文与相关文献中天线的性能对比。由表可见,本文提出的四元超宽带MIMO天线具有较高的隔离度,采用CPW馈电的形式更适用于各种集成通信系统中。

表2 天线性能对比表

4 结束语

本文提出了一款CPW馈电的四元高隔离超宽带MIMO天线。采用CPW馈电的天线能更好地应用于集成电路中。加载了隔离栏栅结构的MIMO天线具有良好的隔离性能。天线实测工作频段能覆盖2.86～11.1 GHz,隔离度优于20 dB。该天线具有较小的ECC和良好的全向辐射性能,最大增益能达到7.29 dB,在超宽带通信系统中具有很好的应用价值。