基于新型共面波导的频率可重构MIMO天线设计

常 睿,李 伟,姚博译,段俊萍,张斌珍

(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西 太原 030051)

0 引言

近年来无线与通信技术发展迅猛,为了满足通信系统日益增长的需求,高传输速率、大容量信道、宽带频段等成为重点研究方向[1]。而多输入多输出(MIMO)技术可以在相同带宽的情况下提高频谱利用率和信道容量,这对于解决日趋紧缺的频谱资源是一个良好的解决方法。

MIMO天线利用多个发射和接收天线来提供复用增益和分集增益,这减少了多径衰落效应,增加了传输容量。小型化和紧凑型天线是宽带天线系统中较常见的天线类型。对于MIMO天线,单元之间的互耦程度是衡量MIMO系统性能的重要指标之一。为了解决去耦问题,提出了多种技术方法,如去耦存根技术[2]、缺陷地结构[3-4]、电子带隙[5-6]和开口谐振环[7-8]等。研究表明,MIMO天线中的分集技术可以有效地解决多径衰落问题,从而提升通信质量[9]。在MIMO天线诸多优势的基础上,可重构MIMO天线在新一代通信系统中获得极大的关注[10],它不仅是改善覆盖范围和提高数据速率的绝佳选择,还可以根据频率可重构的特性提高频谱效率。近年来可重构天线的设计已应用于MIMO天线系统中,文献[11]采用可控开关元件对超宽带(UWB)频段内进行可调节和可逆的控制,使天线能在3种不同模式下运行。2022年,Zhao等[12]提出一种可以通过二极管控制的可重构MIMO天线,使天线分别在3.5 GHz和5 GHz频段工作。Islam. H等[13]等设计了一种带阻滤波器去耦网络,在滤波器配置中连接单个PIN二极管。通过控制PIN二极管的ON/OFF状态,MIMO天线可以在模式1(4.75 GHz)和模式2(1.77 GHz)下工作。

本文提出了一种基于新型共面波导(CPW)馈电方式的紧凑型可重构MIMO天线,通过控制开关可使天线在UWB频段和K波段下工作。所设计的天线结构简单,性能优良,MIMO天线的隔离性能良好,具有紧凑的尺寸(仅19 mm×38 mm),比大多数提出的MIMO天线尺寸更小。

1 天线的设计与分析

所设计的天线最终结构如图1所示。天线尺寸为19 mm×12 mm×0.8 mm。选用F4B作为介质基板材料构建印刷电路板,该介质基板的相对介电常数为2.65,损耗角正切为0.001。所设计的天线主要由一个矩形贴片和共面波导构成,在CPW上蚀刻不规则矩形缝隙可以改变贴片上的电流方向,实现良好的阻抗匹配。通过控制D1、D2的导通与截止状态可实现天线的频率重构功能。优化尺寸如表1所示。

表1 天线最优参数尺寸 mm

图1 天线结构图

所设计的单个天线仿真结果如图2所示。由图可见,当D1、D2导通时,天线的工作频段为6.17～9.38 GHz,而当D1、D2处于截止状态时,由于表面电流的长度改变,天线的工作状态随之变化,工作频率变为19.53～25.48 GHz。

图2 两种工作状态下的S11

2 天线的性能研究

2.1 MIMO天线设计

所设计的MIMO天线由两个天线单元正交排列在同一介质基板上组成。其中一个天线单元被激励,由于天线的隔离效果较好,确保了表面电流处于该单元中,而不会与其他单元产生耦合。图3为天线几何结构和加工实物图,其中天线单元的尺寸与第1节一致。所提出的1×2 MIMO天线由两个天线单元正交组成,印刷在19 mm×38 mm的F4B介质基板上。

图3 MIMO天线结构及实物图

2.2 天线性能分析

图4为MIMO天线的仿真与测试结果。由图可见,仿真与实测的S11、S21曲线大致吻合,误差在可接受范围内,出现误差的原因在于存在加工误差、SMA连接器损耗以及测试误差等不可避免的因素。在两种工作模式下S21均大于20 dB,这说明MIMO天线在工作范围内具有良好的隔离度。

图4 MIMO天线的仿真与测试结果

为了观察共面波导对MIMO天线的影响,图5给出了MIMO天线在6.5 GHz与23.3 GHz的表面电流分布,在端口1被激励时,端口2接50 Ω匹配负载。

图5 MIMO天线在不同频率下的表面电流分布

在开关截止时(见图5(a)),天线的最大电流主要分布在靠近端口的馈线部分,以及贴片的左下角和右上角附近,只有很细微的能量耦合在新型共面波导上;而当开关导通时(见图5(b)),天线的最大电流分布在馈线、贴片及新型共面波导,这说明当改变共面波导的表面能量状态的同时也改变了天线的电流分布情况,延长了电流的长度,实现了可重构特性。此外,在两种状态下均未发生天线单元之间相互耦合的情况,这表明所设计的MIMO天线具有良好的隔离特性。

图6(a)、(b)为MIMO天线在6.5 GHz与23.3 GHz下的天线辐射方向图。由图可见,在6.5 GHz下表现为全向辐射,而在23.3 GHz下辐射方向发生轻微畸变,这是由于随着频率增大,介质基底的介电常数发生了损耗,天线的测试环境如图6(c)所示。

图6 MIMO天线方向图及测试环境

2.3 分集性能分析

除了传统的天线参数外,还需要观察包络相关系数(ECC)来衡量天线单元之间的相关性,通过观察ECC来表征天线之间的独立性,ECC较低,说明MIMO天线具有良好的分集性能,一般要求ECC低于0.4。与此同时,分集增益(DG)也是MIMO天线的一个重要参数,它是评估MIMO系统与单天线系统信噪比的量化改进指标,量化了分集对通信系统的影响,DG可由ECC进一步得出。ECC与DG分别为

(1)

(2)

通过式(1)、(2)计算天线的ECC、DG,结果如图7所示。由图可见,在整个工作频段中,MIMO天线的ECC均小于0.05,远小于指标0.4。此外,DG接近10 dB,说明天线单元之间具有良好的不相关性。

图7 两种工作状态下天线的相关包络系数与分集增益

3 结束语

本文设计了一款基于新型共面波导(CPW)频率可重构MIMO天线,所设计的天线可以在6.17～9.38 GHz与19.53～25.48 GHz之间工作,在工作频段内的隔离度小于-20 dB,天线的相关包络系数小于0.05。分集增益无限接近于10 dB,这表明天线具有良好的分集性能,为未来宽带通信系统提供了良好的选择。