解耦合的緊湊微帶天線陣設(shè)計

王友保，史 超，林 海

(南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，南京 210044)

0 引言

在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，人們對數(shù)據(jù)的傳輸速率和傳輸質(zhì)量提出了越來越高的要求。根據(jù)Shannon容量限制［1］，傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)單輸入單輸出(SISO，single input single output)、多輸入單輸出(MISO，multiple input single output)和單輸入多輸出(SIMO，single input multiple output)在信道容量上已不可突破，已不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，于是，科研人員很自然地把多輸入多輸出(MIMO，multiple input multiple output)作為提高無線通信傳輸速率的技術(shù)突破口之一來進(jìn)行研究［2］。實際上，MIMO技術(shù)最早是由馬可尼于1908年提出的［3］。MIMO技術(shù)是在系統(tǒng)中發(fā)射端和接收端同時采用多天線，在無線信道的多徑衰落分量足夠豐富的前提下，各對收發(fā)天線間的多徑衰落就趨于獨(dú)立，從而創(chuàng)造多個并行空間信道。它與傳統(tǒng)的通信技術(shù)區(qū)別是MIMO可以利用室內(nèi)的多路徑傳播來改善信號質(zhì)量和可靠性，在不犧牲帶寬的前提下成倍地提升了通信系統(tǒng)的容量和傳輸速率［4，5］。MIMO系統(tǒng)中終端多天線的選擇需要綜合考慮增益、方向圖、匹配特性，還有是否易加工、是否具有低輪廓、小體積、輕質(zhì)量等多種因素，全向天線非常適合于MIMO系統(tǒng)應(yīng)用，然而，當(dāng)把多天線技術(shù)應(yīng)用于小型MIMO移動終端設(shè)備時，天線單元之間會相互耦合，通常陣列天線單元間的間距需大于二分之一波長才能避免耦合的產(chǎn)生［6，7］。由于受限于移動通訊設(shè)備的尺寸，內(nèi)部往往無法提供所需的間距，這直接使得MIMO技術(shù)無法大規(guī)模應(yīng)用于移動通信系統(tǒng)中，從而導(dǎo)致MIMO技術(shù)在商業(yè)實現(xiàn)上受到了限制［8］。

在現(xiàn)有的研究中，常見的解耦方式包括修改地面結(jié)構(gòu)解耦［9～11］，采用諧振結(jié)構(gòu)解耦［12～14］，采用電流中和技術(shù)解耦［15，16］等。近幾年采用在天線之間加入解耦網(wǎng)絡(luò)的方式也備受關(guān)注［17～20］，但在這些文獻(xiàn)［17～20］中，解耦網(wǎng)絡(luò)需要使用集總元件，而它們敏感不易調(diào)試，更難實現(xiàn)大規(guī)模集成制作。

本設(shè)計采用微帶電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集總元件電路，使整個結(jié)構(gòu)能夠印刷制作;同時，天線采用倒L結(jié)構(gòu)作為輻射單元，得到尺寸較小的天線陣系統(tǒng);另外，端口的匹配采用階梯形阻抗匹配器，達(dá)到了極高的匹配程度。仿真和實測結(jié)果顯示，該多輸入多輸出天線陣工作在2.45 GHz，天線單元反射系數(shù)和天線單元間的隔離度在工作頻段(2.4 GHz～2.48 GHz)內(nèi)均小于－20 dB，天線遠(yuǎn)場保持了較好的全向性。

1 設(shè)計原理［21］

一個帶有解耦網(wǎng)絡(luò)的M個天線單元構(gòu)成的多輸入多輸出系統(tǒng)，如圖1所示。圖1中分別標(biāo)有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的三條虛線表示依次向天線陣看去的三個端面。通常情況下，由端面Ⅰ看向天線陣時，多天線系統(tǒng)已基本匹配，理論上相應(yīng)的散射矩陣SⅠ的對角線元素應(yīng)為零，即而天線單元之間由于相距較近造成彼此之間產(chǎn)生較強(qiáng)的互耦，即SⅠ的非對角線元素，且 i、j=1，2，…，M。為了減小互耦，即設(shè)法使散射矩陣的非對角元素為零，可在多天線系統(tǒng)的后端加入解耦網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。于是從端面Ⅱ看向天線陣時，理論上相應(yīng)的散射矩陣SⅡ的非對角線元素變?yōu)榱?，即且i、j=1，2，…，M;但一般不能同時保證散射矩陣SⅡ的對角元素為零，即，各端口不是完全匹配的。為了實現(xiàn)各端口的匹配，可在圖1中端面Ⅱ后增加匹配網(wǎng)絡(luò)，于是從端面Ⅲ看向天線陣時，在保持散射矩陣SⅢ的非對角線元素為零的同時，理論上可使相應(yīng)的散射矩陣SⅢ的對角線元素為零，即至此，實現(xiàn)了天線陣的解耦和匹配。需要強(qiáng)調(diào)的是，這里關(guān)鍵技術(shù)是解耦網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，而上述設(shè)計要求是用散射矩陣SⅡ的非對角線元素為零來描述的，顯然這對微帶電路的特性描述不直觀，為了更直觀地描述微帶電路的特性，將散射矩陣SⅡ轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的導(dǎo)納矩陣YⅡ，則有，且 i、j=1，2，…，M。下面以兩個天線單元組成的陣為例進(jìn)行說明。

圖1 解耦網(wǎng)絡(luò)基本模型

在圖1中，假設(shè)采用兩個天線單元陣列，由端面Ⅱ看向天線陣時，相應(yīng)的散射矩陣SⅡ可寫為

現(xiàn)將散射矩陣SⅡ轉(zhuǎn)化為導(dǎo)納矩陣YⅡ有

導(dǎo)納矩陣YⅡ的非對角元素，可用散射矩陣SⅡ的元素表示［22］如下

其中Y0是微帶線的特性導(dǎo)納。顯然，當(dāng)時，有從該結(jié)果可知，由端面Ⅰ看向天線陣時相應(yīng)導(dǎo)納矩陣YⅠ的非對角元素的導(dǎo)納值與增加的解耦網(wǎng)絡(luò)所提供的導(dǎo)納值相互抵消，這為設(shè)計解耦網(wǎng)絡(luò)提供了極強(qiáng)的可操作指導(dǎo)思想。另外，這里天線端口間的解耦是通過導(dǎo)納抵消來實現(xiàn)的，從而暗示采用微帶網(wǎng)絡(luò)所能處理的耦合問題必須是純電抗性的。

最后值得指出，使用SIR階梯阻抗折疊型微帶開口諧振環(huán)來設(shè)計一個2階抽頭饋電帶通濾波器作為其解耦網(wǎng)絡(luò)，它既保持了一般1/2波長SIR的特性，又有結(jié)構(gòu)緊湊的特點。其原理如下。

λg/2型SIR基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，由開路端看去的輸入導(dǎo)納為［23］

取Yi=0得到諧振條件為

為設(shè)計方便，取 θ1= θ2= θ0，式(11)簡化為

此時，諧振條件為

式中，θ0為基頻f0對應(yīng)的電長度。

本設(shè)計中所使用的變形結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其內(nèi)部耦合環(huán)形SIR，如圖3所示。

由文獻(xiàn)［24］，圖3可以看作是以開路式對稱耦合微帶單元級聯(lián)而成，如圖4所示。其A矩陣為［25］

圖2

圖3 具有內(nèi)部耦合環(huán)形SIR

圖4 微帶耦合單元

根據(jù)電路理論，該耦合結(jié)構(gòu)可等效成由兩根特性阻抗為Z0的單線和一個導(dǎo)納反相器J組成的等效電路，如圖5所示。

圖5 采用J倒置器的等效電路

其等效電路的A矩陣為［26］

由 A1=A2，θc=π/2可得

式中，耦合諧振器帶通濾波器的導(dǎo)納倒置器的J為［27］

式中，θc為耦合節(jié)的電長度。

把諧振節(jié)元件值gi和相對帶寬FBW作為帶通濾波器的設(shè)計參量，通過式(16)和式(17)就可以求出耦合微帶線的奇模、偶模阻抗，并通過查表或電磁仿真軟件來確定耦合微帶線的尺寸。再將這里得到的SIR帶通濾波器和天線單元組合成初始解耦天線陣模型，在HFSS軟件平臺上建模仿真，經(jīng)過多次參數(shù)優(yōu)化后，最終得到帶有SIR帶通濾波器的解耦天線陣。

2 天線設(shè)計

根據(jù)以上原理，設(shè)計出的天線陣如圖6所示。

圖6 天線模型結(jié)構(gòu)圖

采用F4B介質(zhì)板，相對介電常數(shù)為2.65，尺寸為106 mm×52 mm×1 mm。天線工作的中心頻率為2.45 GHz。介質(zhì)板的背面印刷著一塊82 mm×52 mm的主地板平面(圖6中黑色部分)，而正面印刷著兩個倒L形的平面單極子作為輻射單元，這兩個輻射單元關(guān)于介質(zhì)板的垂直軸線對稱放置。采用階梯形阻抗匹配器來增強(qiáng)天線端口的匹配程度。另外，解耦網(wǎng)絡(luò)由兩段特性阻抗為Z0的傳輸線和一個SIR微帶發(fā)夾型帶通濾波器兩部分所組成，用于消除兩單元MIMO陣列天線間的互耦。

加工出的天線實物如圖7所示。定義左側(cè)天線為天線單元1，右側(cè)天線為天線單元2。天線單元仿真和實測反射系數(shù)S11，如圖8所示。由于結(jié)構(gòu)對稱，僅給出端口1的反射系數(shù);天線兩單元間仿真和實測隔離度S21，如圖9所示;圖10、圖11和圖12分別給出了天線單元1接激勵信號，天線單元2接50 Ω匹配負(fù)載時天線在2.45 GHz時在微波暗室中測得的遠(yuǎn)場YOZ面、XOZ面和XOY面的輻射方向圖。其中，θ為由原點指向場點的位置矢量與x軸之間夾角，φ為上面的位置矢量在YOZ面投影分量與y軸之間夾角。

由圖8～圖12可知，所設(shè)計的MIMO陣列天線在增加解耦網(wǎng)絡(luò)后，兩天線單元的回波損耗和隔離度在工作頻段(2.4 GHz～2.48 GHz)內(nèi)均小于－20 dB，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。這里需要指出的是，圖9表示的天線兩端口間仿真與實測隔離度雖然在整個工作頻段內(nèi)整體變化趨勢一致，但矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上實測值在各個頻點都較仿真值差10 dB左右，這一系統(tǒng)性誤差主要原因有兩個，即天線陣接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出信號的一端直接從狹小的空間將信號一部分傳到其接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收信號的那一端，以及制作天線過程中引入的誤差。圖10顯示在YOZ面上天線獲得了較好的輻射，YOZ面定義為整個φ角上天線的輻射，因此對于實際的MIMO應(yīng)用是非常重要的。由于兩天線的對稱性，天線單元2的輻射方向圖與天線單元1基本上是相同的。由此可得它們在空間中具有互補(bǔ)的特性，天線具有良好的分集性能，很好的符合了MIMO天線的技術(shù)特點。由本設(shè)計實例可以看出，通過增加解耦網(wǎng)絡(luò)可以消除天線單元間的耦合，從而實現(xiàn)在移動終端狹小的空間內(nèi)可以放置多個天線，使得MIMO天線陣的應(yīng)用成為可能。

3 結(jié)語

設(shè)計了一種新型結(jié)構(gòu)的去耦合微帶天線陣，在此解耦網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中，利用微帶電路代替了集總元件電路，避免了集總元件調(diào)試的敏感性，從而大大增強(qiáng)了MIMO系統(tǒng)中兩個緊密間隔的天線單元間的隔離度，還使得整個系統(tǒng)可以印刷制作。根據(jù)仿真和測試結(jié)果可以看出此MIMO陣列天線具有高隔離度和低回波損耗等特性，較一般的陣列天線性能有所提升，達(dá)到了設(shè)計要求。因此，該緊湊微帶型多天線系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用前景。

［1］ SHANNON C E.A Mathematical Theory of Communication［J］.ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review，2001，5(1):3-55.

［2］ 段紅，劉鋒.基于最大比合并的 MIMO分集系統(tǒng)遞增天線選擇算法［J］.中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2008，2(6):605-610.

［3］ LING X M，LI R L.A Novel Dual-Band MIMO Antenna Array With Low Mutual Coupling for Portable Wireless De-vices［J］.Antennas and Wireless Propagation Letters，IEEE，2011(10):1039-1042.

［4］ CUI S，LIU Y，JIANG W，et al.Compact Dual-Band Monopole Antennas With High Port Isolation［J］.Electronics Letters，2011，47(10):579-580.

［5］ 王先發(fā)，禹化龍，沈斌.天線選擇對分布式多入多出系統(tǒng)的容量影響研究［J］.中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2008，3(3):303-307.

［6］ YEUNG L K，WANG Y E.Mode-based Beamforming Arrays for Miniaturized Platforms［J］.Microwave Theory and Techniques，IEEE Transactions on，2009，57(1):45-52.

［7］ XU H，WANG G，QI M.Hilbert-Shaped Magnetic Waveguided Metamaterials for Electromagnetic Coupling Reduction of Microstrip Antenna Array［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2013，49(4):1526-1529.

［8］ YEUNG L K，WANG Y E.A Decoupling Technique for Compact Antenna Arrays in Handheld Terminals［C］//Radio and Wireless Symposium(RWS)，2010 IEEE.IEEE，2010:80-83.

［9］ KIM I，KIM Y.Low-Profile Wideband MIMO Antenna with Suppressing Mutual Coupling Between Two Antennas［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2008，50(5):1336-1339.

［10］ OUYANG J，YANG F，WANG Z M.Reducing Mutual Coupling of Closely Spaced Microstrip MIMO Antennas for WLAN Application［J］.Antennas and Wireless Propagation Letters，IEEE，2011(10):310-313.

［11］ LI J F，CHU Q X.Compact MIMO Antenna With Simple Decoupling Method［C］//Microwave Conference(EuMC)，2013 European.IEEE，2013:774-777.

［12］ LI H，XIONG J，YING Z，et al.High Isolation Compact Four-Port MIMO Antenna Systems with Built-In Filters as Isolation Structure［C］//Antennas and Propagation(EuCAP)，2010 Proceedings of the Fourth European Conference on.IEEE，2010:1-4.

［13］ ZHU J，ELEFTHERIADES G V.A Simple Approach for Reducing Mutual Coupling in Two Closely Spaced Metamaterial-Inspired Monopole Antennas［J］.Antennas and Wireless Propagation Letters，IEEE，2010(9):379-382.

［14］ DADASHZADEH G，DADGARPOUR A，JOLANI F，et al.Mutual Coupling Suppression in Closely Spaced Antennas［J］.Microwaves，Antennas ＆ Propagation，IET，2011，5(1):113-125.

［15］ PARK S，JUNG C.Compact MIMO Antenna with High Isolation Performance［J］.Electronics letters，2010，46(6):390-391.

［16］ YEOM I，KIM J，JUNG C.Compact Dual-Band MIMO Antenna With High Isolation Performance［C］//Microwave Conference Proceedings(APMC)，2010 Asia-Pacific.IEEE，2010:766-769.

［17］ CHEN S C，WANG Y S，CHUNG S J.A Decoupling Technique for Increasing the Port Isolation Between Two Strongly Coupled Antennas［J］.Antennas and Propagation，IEEE Transactions on，2008，56(12):3650-3658.

［18］ Lin X Q，Li H，He S，et al.A Decoupling Technique for Increasing the Port Isolation Between Two Closely Packed Antennas［C］//Antennas and Propagation Society International Symposium(APSURSI)，2012 IEEE.IEEE，2012:1-2.

［19］ TANG X，MOUTHAAN K，COETZEE J C.Tunable Decoupling and Matching Network for Diversity Enhancement of Closely Spaced Antennas［J］.Antennas and Wireless Propagation Letters，IEEE，2012，11:268-271.

［20］ NISHIMOTO K，YANAGI T，F(xiàn)UKASAWA T，et al.Decoupling Networks Composed of Lumped Elements for Diversity/MIMO Antennas［C］//Antennas and Propagation in Wireless Communications(APWC)，2013 IEEE-APS Topical Conference on.IEEE，2013:307-310.

［21］ ZHAO L，YEUNG L K，WU K L.A Novel Second-Order Decoupling for Two-Element Compact Antenna Arrays［C］//Microwave Conference Proceedings(APMC)，2012 Asia-Pacific.IEEE，2012:1172-1174.

［22］ POZAR D M.Microwave engineering［M］.USA:Wiley.com，2009.

［23］ MAKIMOTO M，YAMASHITA S.無線通信中的微波濾波器與諧振器［M］.趙宏錦，譯.北京:國防工業(yè)出版社，2002.

［24］ 鄭迎賓，孫興超，崔英善.發(fā)夾型濾波器的設(shè)計［J］.山西電子技術(shù)，2009(6):49-50.

［25］ 清華大學(xué)微帶電路編寫組.微帶電路［M］.北京:人民郵電出版社，1979.

［26］ LUDWIG R，BRETCHKO P.射頻電路設(shè)計——理論與應(yīng)用［M］.王子宇，張肇儀，徐承和，等，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2002:169-176.

［27］ 甘本祓，吳萬春.現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計［M］.北京:科學(xué)出版社，1973.