集群通信與無線局域網(wǎng)多天線共口徑設(shè)計(jì)

李業(yè)振　梁仙靈　金榮洪　耿軍平　郝強(qiáng)

(1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240;2.上海交通大學(xué) 微米/納米加工技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240;3.國網(wǎng)丹東供電公司,遼寧 118000)

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集群通信與無線局域網(wǎng)多天線共口徑設(shè)計(jì)

李業(yè)振1梁仙靈1金榮洪2耿軍平1郝強(qiáng)3

(1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240;2.上海交通大學(xué) 微米/納米加工技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240;3.國網(wǎng)丹東供電公司,遼寧 118000)

摘要針對地面集群無線電通信800 MHz頻段和無線局域網(wǎng)5 GHz頻段，融合共口徑技術(shù)和多輸入多輸出技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新穎四單元雙模式天線，該無線局域網(wǎng)天線采用雙層微帶結(jié)構(gòu)結(jié)合多輸入多輸出技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高通信容量;集群通信天線采用單層空氣微帶結(jié)構(gòu)結(jié)合貼片耦合饋電技術(shù)，并與無線局域網(wǎng)天線共口徑設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多天線小型化.仿真和測試結(jié)果表明：集群通信天線(駐波比小于2)的阻抗帶寬為806～866 MHz，天線增益大于6 dBi;無線局域網(wǎng)天線的阻抗帶寬為4.9～6.1 GHz，天線增益大于8 dBi;各天線間的端口隔離度大于22 dB，無線局域網(wǎng)天線的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)小于0.01，滿足多輸入多輸出天線的分集要求.

關(guān)鍵詞集群通信;無線局域網(wǎng);共口徑;多輸入多輸出;包絡(luò)相關(guān)系數(shù)

引言

集群通信系統(tǒng)具備特有的調(diào)度、組呼功能.隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,緊急事件服務(wù)部門和物流、物業(yè)的管理越來越需要地面集群無線電(Terrestrial Trunked Radio,TETRA)通信系統(tǒng)用于指揮調(diào)度[1];隨著無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network,WLAN)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)的研發(fā)成熟,其在無線通信領(lǐng)域的地位日益凸顯,尤其對室內(nèi)空間,WLAN可以提供更好的射頻覆蓋.因此,融合TETRA/WLAN的增強(qiáng)型系統(tǒng)越來越受到重視,并利用多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)技術(shù)[2-4]來提高整個(gè)系統(tǒng)的通信容量,保證更好的鏈路通信和更小的掉線機(jī)率.同時(shí),這需引入更多的通信天線,若采用獨(dú)立口徑的設(shè)計(jì)理念,必然導(dǎo)致系統(tǒng)中的天線體積、重量變大.基于此,融合共口徑技術(shù)[5]和MIMO技術(shù)的TETRA/WLAN雙模式終端天線的研究具有重要意義.

當(dāng)前，共口徑天線技術(shù)主要應(yīng)用在陣列天線設(shè)計(jì)中,大致結(jié)構(gòu)有兩種.圖1(a)為交織式融合布局,如低頻單元采用十字形或T形貼片振子天線,高頻單元采用矩形微帶貼片天線,并分布在低頻單元四周,形成共口徑設(shè)計(jì)[6-8].圖1(b)為嵌入式融合布局,在低頻單元上開多個(gè)方形槽,將高頻單元置于槽中形成共口徑設(shè)計(jì),如文獻(xiàn)[9]中將X波段的微帶天線置于L波段微帶天線的槽中.

(a) 交織式　　　　　　(b) 嵌入式圖1　共口徑天線結(jié)構(gòu)

基于類似圖1(b)的共口徑結(jié)構(gòu),并融合MIMO技術(shù),設(shè)計(jì)了一種覆蓋TETRA數(shù)字集群通信800 MHz頻段(806～866 MHz)和WLAN頻段(5.15～5.825 GHz)的四單元雙模式天線,其中WLAN天線采用MIMO技術(shù)提高其通信容量.通過優(yōu)化天線結(jié)構(gòu),分析TETRA天線的開槽尺寸和凸形地板的高度對各天線性能的影響,設(shè)計(jì)了具有良好的端口隔離、天線增益和MIMO分集性能的多天線.

1天線結(jié)構(gòu)及原理

多天線結(jié)構(gòu)如圖2所示.TETRA天線采用空氣微帶矩形貼片結(jié)構(gòu)，矩形貼片尺寸為p1×p2，印刷在相對介電常數(shù)為2.2的Rogers 5880T介質(zhì)板上,介質(zhì)板尺寸為s1×s1，距離金屬地板的高度為h1，金屬地板尺寸為g×g，通過塑料螺釘與懸置的TETRA天線固定.高度h1的增大可有效展寬天線的阻抗帶寬,但過長饋電探針引入的電感會(huì)造成饋電端失配,為此,在探針端引入圓片耦合饋電[10](圖2(a)、(b)),通過圓片耦合產(chǎn)生的電容抵消探針的電感；耦合圓片的半徑為r. 同時(shí),在TETRA天線(貼片連同印刷介質(zhì)板)上開3個(gè)矩形槽,矩形槽的尺寸為w1×w2(圖2(c)),槽的中心位置恰好與WLAN天線1～3分別對應(yīng),以確保WLAN天線能有效輻射,從而實(shí)現(xiàn)四個(gè)天線的共口徑設(shè)計(jì).

(a) 爆炸圖

(b) 側(cè)視圖

(c) 俯視圖圖2　多天線結(jié)構(gòu)圖

WLAN天線采用雙層微帶貼片結(jié)構(gòu)[11],以實(shí)現(xiàn)寬頻帶性能并提高天線增益.上層方形寄生貼片的邊長為p4,下層方形激勵(lì)貼片的邊長為p3,均印刷在尺寸為s2×s2的介質(zhì)板上,懸置間隙為h3; 3個(gè)天線均安裝在高度為h2的凸形地板上,且均由SMA探針穿過凸形地板饋電(圖2(a)、(b)),WLAN天線1～3結(jié)構(gòu)完全相同,用以實(shí)現(xiàn)MIMO天線的分集功能.值得注意的是,由于采用共口徑設(shè)計(jì),所以天線參數(shù)優(yōu)化時(shí)除了關(guān)注單天線的性能之外,還需重點(diǎn)考慮各天線間的相互耦合.而影響TETRA/WLAN天線性能的關(guān)鍵參數(shù)是TETRA天線中的開槽尺寸(w1×w2)和WLAN天線中凸形地板的高度h2.

(a) TETRA天線 　　　　　　　　　　　　　　　　(b) WLAN天線1

(c) TETRA頻段 　　　　　　　　　　　　　　　　(d) WLAN頻段圖3　開槽尺寸對天線增益和端口隔離度的影響曲線

(a) TETRA天線　　　　　　　　　　　　　　　　(b) WLAN天線1

(c) TETRA頻段　　　　　　　　　　　　　　　　(d) WLAN頻段圖4　凸形地板高度對天線增益和端口隔離度的影響曲線

圖3和圖4分別給出了開槽尺寸和凸形地板的高度對天線增益和端口隔離度的影響曲線.從物理角度分析,在TETRA天線上開槽,會(huì)導(dǎo)致該天線的有效輻射面積減少,其輻射效率和增益會(huì)隨著開槽尺寸的增大而降低,如圖3(a)所示;而對于WLAN天線，開槽尺寸越大,TETRA天線對其遮擋越小,其輻射效率和增益會(huì)隨著開槽尺寸的增大而增大,如圖3(b)所示.此外,開槽尺寸越大,TETRA天線與WLAN天線1、WLAN天線2間的隔離度S(T,W1)和S(T,W2)也會(huì)越高.從圖4可以看出,對于固定大小的開槽口,h2越大,TETRA天線的增益越低,而WLAN天線的增益越高.同時(shí),從物理角度也很好理解,隨著高度h2的變大,WLAN天線的輻射受TETRA天線的影響會(huì)變小,其增益會(huì)有提高,而對TETRA天線,其受WLAN天線的凸形地板的影響會(huì)變大,從而導(dǎo)致其增益有所降低.同樣地,在WLAN頻段內(nèi),TETRA天線與WLAN天線1、 WLAN天線2的端口隔離度S(T,W1)和S(T,W2)會(huì)變好,而在TETRA頻段內(nèi),隔離度會(huì)稍變差.

因此,在選擇w1×w2和h2的數(shù)值時(shí),需要兼顧TETRA天線與WLAN天線的性能,如增益和端口隔離度．基于電磁仿真軟件HFSS,優(yōu)化后得到該天線的參數(shù)如表1所示.

表1　天線幾何參數(shù)　　　單位:mm

2天線的仿真、測試與分析

2.1天線駐波比和端口隔離度

基于表1的參數(shù)實(shí)際制作了天線實(shí)物(見圖5),并使用Agilent E8361C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線進(jìn)行了駐波比和端口隔離度的測試.

圖5　天線實(shí)物圖

(a) TETRA天線　　　　　　　　　(b) WLAN天線1　　　　　　　　　　(c) WLAN天線2圖6　天線端口駐波比曲線

(a) TETRA頻段　　　　　　　　　(b) WLAN頻段測試　　　　　　　　(c) WLAN頻段仿真圖7　天線間端口隔離度曲線

如圖6所示,TETRA天線的仿真和測試駐波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)小于2的阻抗帶寬分別為804.0～867.5 MHz和802.5～866.0 MHz; WLAN天線1(WLAN天線3與之相同)的仿真和測試阻抗帶寬分別為4.90～6.10 GHz和4.95～6.10 GHz,WLAN天線2的仿真和測試阻抗帶寬分別為4.85～6.10 GHz和4.90～6.10 GHz.可以看出,各天線的測試與仿真駐波比結(jié)果吻合較好,在TETRA頻段和WLAN頻段,均滿足VSWR小于2.圖7給出了各天線端口間的隔離度曲線,在TETRA頻段和WLAN頻段,仿真和測試的各天線間端口隔離度均超過22 dB.2.2包絡(luò)相關(guān)系數(shù)

文獻(xiàn)[12]通過等效耦合網(wǎng)絡(luò)模型對MIMO天線的陣元互耦進(jìn)行了分析和仿真驗(yàn)證,但并不能有效地反映MIMO天線的分集性能.而對于MIMO天線,包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(Envelope Correlation Coefficient, ECC)是衡量其分集性能的一個(gè)重要參數(shù),可以在假設(shè)輸入信號(hào)均勻分布,天線具有良好匹配的前提下,通過計(jì)算S參數(shù)得到MIMO天線的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)[13].因此,將測試的S參數(shù)代入公式(1)計(jì)算,得到在WLAN頻段內(nèi),MIMO天線的ECC?0.01，滿足MIMO天線的分集要求,遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)[14]的門限值

(1)

2.3天線輻射方向圖

圖8給出了TETRA天線在806 MHz、836 MHz和866 MHz頻點(diǎn)的H面和E面的測試和仿真歸一化遠(yuǎn)場輻射方向圖.由于TETRA天線的物理結(jié)構(gòu)與YOZ平面對稱,因而，其H面輻射方向圖是對稱的,交叉極化電平低于-15 dB;E面輻射方向圖由于開槽緣故在90°<θ<130°會(huì)產(chǎn)生微小凸起,但其交叉極化電平低于-40 dB.此外,對于TETRA天線,接地板電尺寸僅為0.56λ0×0.56λ0(λ0是TETRA頻段的中心頻率所對應(yīng)自由空間的波長),因此，其后瓣電平較高,前后比約為10 dB.圖9、10分別給出了WLAN天線1和WLAN天線2在5.3 GHz、5.5 GHz和5.7 GHz頻點(diǎn)的H面和E面的測試和仿真歸一化遠(yuǎn)場輻射方向圖.由于WLAN天線1在整個(gè)共口徑天線中所處的物理位置,導(dǎo)致其主極化的最大輻射方向偏離軸向10°左右,交叉極化也隨頻率升高而變差,但其前后比超過20 dB.WLAN天線2的物理結(jié)構(gòu)也與YOZ平面對稱,因此，其H面輻射方向圖也是對稱的,其前后比也超過20 dB.

從圖11可看出,在TETRA頻段,天線的測試增益為6～7.45 dBi,在WLAN頻段,天線1的測試增益為8.5～9.6 dBi,天線2的測試增益為8.0～10.2 dBi,比較測試與仿真增益,兩曲線的趨勢基本相同,吻合性較好,除了WLAN天線1的部分頻點(diǎn),其主要原因是開放式的外場測試環(huán)境,手動(dòng)對調(diào)增益測試，存在一些誤差所導(dǎo)致.

(a) H面(806 MHz,836 MHz,866 MHz)

(b) E面(806 MHz,836 MHz,866 MHz)圖8　TETRA天線歸一化遠(yuǎn)場輻射方向圖

(a) H面(5.3 GHz,5.5 GHz,5.7 GHz)

(b) E面(5.3 GHz,5.5 GHz,5.7 GHz)圖9　WLAN天線1歸一化遠(yuǎn)場輻射方向圖

(a) H面(5.3 GHz,5.5 GHz,5.7 GHz)

(b) E面(5.3 GHz,5.5 GHz,5.7 GHz)圖10　WLAN天線2歸一化遠(yuǎn)場輻射方向圖

(a) TETRA天線　　　　　　　　　　(b) WLAN天線1 　　　　　　　　　(c) WLAN天線2圖11　各天線的增益曲線

3結(jié)論

針對覆蓋TETRA數(shù)字集群通信800 MHz頻段(806～866 MHz)和無線局域網(wǎng)5 GHz頻段(5.15～5.825 GHz)融合共口徑技術(shù)和MIMO技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新型的四單元雙模式天線,實(shí)現(xiàn)了TETRA天線和WLAN MIMO天線的共口徑設(shè)計(jì),從而使天線結(jié)構(gòu)緊湊,減小了天線的安裝空間,并且WLAN天線采用MIMO技術(shù),有利于提高系統(tǒng)的通信容量.仿真和測試結(jié)果表明,在TETRA頻段和WLAN頻段內(nèi),天線端口駐波比小于2,各天線間端口隔離度超過22 dB,且各天線的輻射特性良好,測試增益分別大于6 dBi和8 dBi,WLAN MIMO天線的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)小于0.01,滿足分集要求.除此之外,該天線還具有結(jié)構(gòu)簡單、易制作、成本低等特點(diǎn),對用于車載安全指揮調(diào)度的集群通信天線設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值.

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Design of trunked communication and WLAN multiple antenna used share-aperture technology

LI Yezhen1LIANG Xianling1JIN Ronghong2GENG Junping1HAO Qiang3

(1.SchoolofElectronicInformationandElectricalEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China；2.NationalKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonMicro/NanoFabrication,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China；3.StateGridDandongElectricPowerSupplyCompany,Liaoning118000,China)

AbstractTo cover terrestrial trunked radio(TETRA)communication of 800 MHz band and wireless local area network(WLAN) of 5 GHz band, a new fourelement dual-mode antenna is designed based on the aperture-sharing technology and the multiple-input multiple-output(MIMO)technology. WLAN band element are used the stacked structure and MIMO technique to increase the communication capacity. TETRA band element is used the air microstrip antenna and excited fed by a coupling circle patchwhich sharing aperture with WLAN elements to realize the compact struture. The simulated and measured results show that the TETRA element impedance bandwidth(VSWR less than 2)is 806-866 MHz and the gains are over 6 dBi; while the WLAN element impedance bandwidth is 4.9-6.1 GHz the gains are over 8 dBi. The port isolations are over 22 dB at both bands, furthermore, envelope correlation coefficients(ECCs)are less than 0.01 which satisfies the MIMO antenna standard.

Keywordstrunked communication; WLAN; share-aperture; MIMO; ECC

收稿日期：2015-06-10

中圖分類號(hào)TN82

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1005-0388(2016)02-0211-08

DOI10.13443/j.cjors.2015061002

作者簡介

李業(yè)振 (1990-),男,山東人,碩士研究生,研究方向?yàn)槲炀€、短波天線設(shè)計(jì).

梁仙靈(1978-),男,浙江人,副教授,主要研究領(lǐng)域?yàn)楝F(xiàn)代天線理論與技術(shù)、有源相控陣列、DBF陣列等,發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文180余篇.

金榮洪(1963-),男,江蘇人,教授、博士生導(dǎo)師,主要研究領(lǐng)域?yàn)殡姶艌隼碚摗F(xiàn)代天線技術(shù)、電磁計(jì)算方法、天線信號(hào)處理、智能天線及相控陣天線等.

耿軍平(1972-),男,陜西人,副教授,主要研究領(lǐng)域?yàn)殡姶艌隼碚?、電磁?jì)算方法,信號(hào)處理等.

郝強(qiáng)(1978-),男,高級工程師,主要研究方向?yàn)殡娮酉到y(tǒng)自動(dòng)化.

李業(yè)振, 梁仙靈, 金榮洪, 等. 集群通信與無線局域網(wǎng)多天線共口徑設(shè)計(jì)[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2016,31(2):211-218. DOI: 10.13443/j.cjors.2015061002

LI Y Z, LIANG X L, JIN R H, et al. Design of trunked communication and WLAN multiple antenna used share-aperture technology[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(2):211-218. (in Chinese). DOI:10.13443/j.cjors.2015061002

資助項(xiàng)目: 國家自然科學(xué)基金(61201058，61471240，61571298)

聯(lián)系人： 梁仙靈 E-mail：liangxl@sjtu.edu.cn