一種小型化高隔離MIMO吸頂天線?

黃聰，薛鋒章

（華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣州510640）

一種小型化高隔離MIMO吸頂天線?

黃聰，薛鋒章

（華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣州510640）

提出了一種小型化高隔離MIMO吸頂天線設(shè)計(jì)方案。天線由水平極化印刷對數(shù)周期天線環(huán)形陣列內(nèi)嵌于垂直極化單錐天線組成，并通過在單錐天線上正對對數(shù)周期天線軸處各開一個(gè)狹縫，實(shí)現(xiàn)了吸頂天線的全向輻射性能和雙極化工作性能。嵌套結(jié)構(gòu)的引入不僅大大減小了雙極化吸頂天線的結(jié)構(gòu)尺寸，還實(shí)現(xiàn)了吸頂天線極化間的高隔離性能。采用HFSS對其進(jìn)行仿真和優(yōu)化，得到該吸頂天線垂直極化工作頻率為790～960 MHz／1 700～2 700 MHz，水平極化工作頻率為2 300～2 700 MHz，同頻隔離度優(yōu)于44.5 dB，并且兩個(gè)極化的增益和全向性均良好。該吸頂天線結(jié)構(gòu)簡單，便于加工制作，且成本較低，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

MIMO天線；吸頂天線；雙極化天線；小型化；高隔離度；印刷對數(shù)周期天線

1 引言

吸頂天線作為室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的一個(gè)關(guān)鍵部件，在移動(dòng)通信室內(nèi)分布系統(tǒng)中有著非常重要的應(yīng)用［1-2］。當(dāng)前，常見的吸頂天線主要為垂直極化應(yīng)用，其主要形式有單極子天線［1］、單錐天線［3］、不對稱雙錐天線［2］等。但是垂直極化吸頂天線無助于緩解目前無線通信頻譜資源日趨緊張的局面，并且不符合日后4G移動(dòng)通信系統(tǒng)多天線技術(shù)的要求，因此設(shè)計(jì)一款能夠大大提高通信系統(tǒng)頻譜利用率和顯著改善室內(nèi)無線鏈路性能的MIMO吸頂天線，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。而對于室內(nèi)分布系統(tǒng)，通道相關(guān)性是影響MIMO多天線系統(tǒng)性能的主要參數(shù)，通道之間無線信道相關(guān)性越小，越適合于使用MIMO多流傳輸，最終提高室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)頻譜利用率。為了保證不同各通道之間存在恒定的低相關(guān)性，引入了室內(nèi)雙極化吸頂天線［4］。

最近，國內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)也對此課題做了一些較為深入的研究。例如文獻(xiàn)［5］指出，使用由4～6個(gè)印刷對稱振子組成的水平極化環(huán)形陣列架設(shè)于垂直極化不對稱雙錐天線中間，可實(shí)現(xiàn)吸頂天線的雙極化輻射性能。但按此思路設(shè)計(jì)的吸頂天線，相對常規(guī)的吸頂天線而言尺寸較大，并且隔離度不高，通道相關(guān)性較大；另外還需用一個(gè)一進(jìn)多出的功分器連接印刷對稱振子，生產(chǎn)成本較高，且安裝較為困難，不易實(shí)現(xiàn)。

本文在常規(guī)的單錐吸頂天線基礎(chǔ)上引入了水平極化對數(shù)周期天線環(huán)形陣列，并采用嵌套的形式，在限定的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)了吸頂天線的高隔離雙極化工作性能。因此，它的尺寸相對目前的雙極化吸頂天線來說大大減小，特別適于室內(nèi)覆蓋應(yīng)用。

2 天線結(jié)構(gòu)

雙極化全向吸頂天線的仿真結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由1塊底板、1個(gè)開有狹縫的單錐和1塊印有對數(shù)周期天線環(huán)形陣列的印制板組成?？紤]到單錐天線具有寬頻帶特性以及吸頂天線的小尺寸要求，本設(shè)計(jì)采用了如圖2所示的單錐天線作垂直極化設(shè)計(jì)［3］，并采用了耦合饋電的形式——首先在單錐頂端的中心軸位置增加一個(gè)與單錐電連接的空心圓柱導(dǎo)體，然后設(shè)計(jì)一個(gè)如圖3所示的內(nèi)芯加長的50Ω接頭，將加長的內(nèi)芯伸入到空心圓柱導(dǎo)體內(nèi)部，通過該內(nèi)芯耦合饋電到金屬錐形輻射體。這樣既便于安裝又不損害單錐天線的寬頻帶性能。

另外，水平極化模塊采用了一種新的水平極化全向天線形式，如圖4（a）所示，將一定個(gè)數(shù)對數(shù)周期天線組成環(huán)形陣列印制于介質(zhì)板上，模擬電流環(huán)工作，以此獲得水平全向的方向圖［6］。為了獲得較好的全向性而又不至使結(jié)構(gòu)過于擁擠，本文選用4個(gè)對數(shù)周期天線作陣列設(shè)計(jì)。其饋電方式如圖4（b）所示，把對數(shù)周期天線交叉饋電的振子分別印刷在同一塊厚度為1mm的FR4介質(zhì)板的兩面，集合線為平行雙線，在環(huán)形陣列中心處并連，然后用同軸線在并連處直接饋電。由于4個(gè)對數(shù)周期天線直接并連組陣，省去了一個(gè)一分四的功分器，有效地降低了天線的復(fù)雜度以及制造成本。另外，由于本設(shè)計(jì)采用將水平極化模塊嵌于垂直極化單錐內(nèi)部的方式來實(shí)現(xiàn)吸頂天線的雙極化工作性能，為利于水平極化全向天線將能量輻射到錐體外部而又不改變它的全向性能，根據(jù)電磁波的衍射理論，專門在錐體上正對對數(shù)周期天線軸處各開了一個(gè)狹縫。天線底板直徑為200mm，錐體高度為88mm，水平極化天線直徑為64 mm，嵌于離錐體頂端5 mm處，對數(shù)周期天線振子長臂為16mm，結(jié)構(gòu)角約為60°。

3 仿真結(jié)果及分析

圖5為吸頂天線駐波比。由圖5可以看出，在790～960 MHz／1 700～2 700 MHz頻段內(nèi)吸頂天線垂直極化駐波比小于1.6，在2 300～2 700 MHz頻段內(nèi)水平極化駐波比小于2，阻抗特性良好。從圖6所示的仿真結(jié)果可以看出，極化間同頻段的隔離度優(yōu)于-44.5 dB，兩極化不相關(guān)程度較高，適于MIMO應(yīng)用。此吸頂天線之所以具有較好的隔離度，是因?yàn)閷τ趩五F天線而言，電流主要分布在錐體外表面，而由于水平極化模塊嵌于錐體內(nèi)部，錐體內(nèi)腔對其起到屏蔽作用，因此錐體外表電流對它的影響也就很小，幾乎可忽略。

圖7 和表1為吸頂天線垂直極化方向圖仿真結(jié)果，圖8和表2為吸頂天線水平極化方向圖仿真結(jié)果。從圖7和表1可以看出，該吸頂天線垂直極化H面低頻段不圓度小于0.03 dB，高頻段不圓度小于0.14 dB。低頻段增益稍低，但平均能達(dá)到1.14 dB，高頻段平均增益達(dá)到6 dB。從圖8和表2可以看出，該吸頂天線水平極化H面不圓度平均為0.82 dB左右，最差不超過1.4 dB。增益較為理想，最小能達(dá)到2.8 dB，平均在3.2 dB左右。由圖7和圖8可以看出，吸頂天線垂直極化最大增益方向隨著頻率的變化有較大的改變，但由于高頻端天線增益較大，彌補(bǔ)了最大增益方向隨頻率改變的缺陷，因此其覆蓋效果良好；而由于吸頂天線水平極化最大增益方向及最大增益均隨頻率改變不大，因此其覆蓋效果也較好?？偟膩碚f，該吸頂天線的全向性及覆蓋性能都較為理想。

另外，由于狹縫尺寸的選擇對水平極化模塊的駐波影響較大，在這里分別給出了不同狹縫長、寬尺寸對水平極化模塊的影響，詳見圖9和圖10。由圖9和圖10可以得出，水平極化天線模塊的駐波比對狹縫尺寸的變化比較敏感，尤其是對狹縫的長度。

4 總結(jié)

本文基于嵌套的思想設(shè)計(jì)了一款小型化高隔離雙極化吸頂天線。與傳統(tǒng)的垂直極化吸頂天線相比，它能大大提高通信系統(tǒng)頻譜利用率，并顯著改善室內(nèi)無線鏈路性能，同時(shí)其結(jié)構(gòu)尺寸和隔離度也遠(yuǎn)優(yōu)于目前的雙極化吸頂天線。它能代替現(xiàn)網(wǎng)中的吸頂天線，適用于GSM／DCS／TD-SCDMA／TD-LTE／

WCDMA／CDMA2000等多制式系統(tǒng)的室內(nèi)覆蓋，具有很好的實(shí)用價(jià)值，為小型化寬頻帶雙極化全向吸頂天線的研究提供了一種參考。下一步的研究重點(diǎn)是：在天線尺寸盡可能小的前提下進(jìn)一步展寬水平極化的工作頻帶，并將其駐波比優(yōu)化到1.5以下。

［1］薛鋒章.一種用于移動(dòng)通信的室內(nèi)多波段吸頂天線：中國，02134538.4［P］.2005-05-04.

XUEFeng-zhang.An indoormulti-band ceiling-mounted antenna formobile communications：China，02134538.4［P］. 2005-05-04.（in Chinese）

［2］吳中林.吸頂天線：中國，02227464.2［P］.2003-06-25.

WU Zhong-lin.A ceiling-mounted antenna：China，02227464.2［P］.2003-06-25.（in Chinese）

［3］Aliakbarian H，Azarbadegan M，Danei M M，et al.Design of skull-cap endedmono-conical antenna for ultra-wideband systems［C］／／Proceedings of 2006 International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory. Kharkiv：IEEE，2006：121-123.

［4］曾召華.一種MIMO吸頂天線：中國，201562752 U［P］. 2010-08-25.

ZENG Zhao-hua.An ceiling-mounted MIMO antenna：China，201562752 U［P］.2010-08-25.（in Chinese）

［5］石萌，鄧遙林，郭繼權(quán)，等.一種雙極化全向吸頂天線：中國，101916909 A［P］.2011-06-08.

SHIMeng，DENGYao-lin，GUO Ji-quan，etal.An omni-directional ceiling-mounted antenna with dual polarization：China，101916909 A［P］.2011-06-08.（in Chinese）

［6］Sergey S，WernerW.Ultra-broadband omni-directional printed dipole arrays［C］／／Proceedings of2005 Antennas and Propagation Society International Symposium.Washington DC：IEEE，2005：545-548.

HUANG Cong was born in Guangdong Province，in 1987.He is now a graduate student in School of Electronic and Information Engineering，South China University of Technology.His research direction is antenna formobile communications.

Email：hc04962＠qq.com

薛鋒章（1963—），男，江西人，華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院研究員，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信天線。

XUE Feng-zhangwas born in Jiangxi Province，in 1963.He is now a research fellow in Schoolof Electronic and Information Engineering，South China University of Technology.His research direction is antenna formobile communications.

Design of a Miniaturized Ceiling-mounted MIMO Antenna with High Isolation

HUANGCong，XUE Feng-zhang
（School of Electronic and Information Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Aminiaturized ceiling-mounted MIMO antenna with high isolation is proposed.The antenna ismade up by embedding a horizontally polarized circular array of four printed log-periodic antennas（PLPDAs）within a vertically polarized mono-conical antenna.And by opening four proper slits on themono-conical antenna which exactly face to the axis of each log-periodic antenna，it gets omni-directional patterns and good performances of dual-polarization.The introduction of a nested structure，not only greatly reduces the size of the structure，but also achieves high isolation.Using HFSS the ceiling-mounted antenna ismodeled and simulated.The operating frequency band for the vertically polarized part is790～960 MHz／1 700～2 700 MHz，and 2 300～2 700 MHz for the horizontal polarization，the polarization isolation is better than 44.5 dB，and the radiation patterns are good for both polarizations.The structure of the ceiling-mounted antenna is featured by simple structure，easy tomanufacture，lower cost and high practical value.

MIMO antenna；ceiling-mounted antenna；dual-polarized antenna；miniaturized；high isolation；printed log-periodic antenna（PLPDA）

TN82

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.021

黃聰（1987—），男，廣東人，華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院通信與信息系統(tǒng)專業(yè)碩士研究生，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信天線；

1001-893X（2011）11-0103-04

2011-07-11；

2011-08-23