采用缺陷地的高隔離MIMO天線設計

韓國瑞， 段美玲， 李 莉

(1. 山西大學 物理電子工程學院, 山西 太原 030006; 2. 山西大學 外國語學院, 山西 太原 030006)

采用缺陷地的高隔離MIMO天線設計

韓國瑞1， 段美玲2， 李 莉1

(1. 山西大學 物理電子工程學院, 山西 太原 030006; 2. 山西大學 外國語學院, 山西 太原 030006)

本文設計了一種具有高隔離度的四端口多輸入多輸出(MIMO)天線. 該天線的輻射單元由一個正八邊形的貼片和一個方形環(huán)貼片兩部分構成. 天線的諧振頻率在2.45 GHz， 工作帶寬大于50 MHz. 設計了一種缺陷地結構來改善天線單元間的隔離度， 并分析了縫隙尺寸與天線單元間的耦合電流之間的關系. 這種缺陷地結構， 通過改變天線地上的電流分布， 降低天線單元間的耦合， 從而實現天線單元間的高隔離度. 仿真結果顯示： 采用本文的設計方法， 天線單元間的隔離度改善了10.1 dB， 天線單元間的互耦在天線工作頻段內均低于-23.6 dB.

多輸入多輸出； 互耦； 缺陷地； 包絡相關系數

0 引 言

現代無線通訊技術要求高的信道容量和高的數據傳輸速率. 多輸入多輸出(MIMO)技術通過利用多徑效應進行數據傳輸， 已被證明是一種有效提高信道容量和魯棒性的技術[1]. 由于MIMO天線大多采用極化分集或者方向圖分集的天線來實現， 容許將各天線單元放在彼此非常靠近的地方， 所以使它們成為小型無線便攜設備集成設計中的一個很好的方案. 但由于天線單元間距離很近， 其相互間的耦合將會很強， 所以設計一個高效而彼此不相關的MIMO天線是一項極具挑戰(zhàn)性的工作， 已經受到廣泛的關注.

近年來， 國內外學者們紛紛提出了多種降低緊密間隔天線單元相互耦合的技術. 方法有： 改變天線饋線形狀， 并在天線的饋線上增加U型縫隙， 實現天線端口間的高隔離度[2]； 在天線單元間增加電磁能帶隙(EBG)結構抑制表面波的傳播， 從而降低天線單元間的耦合[3-4]； 通過在天線地平面上設置互補型開口環(huán)諧振器(CSRR)， 降低該區(qū)域的耦合電場， 來增強貼片天線單元之間的隔離度[5]； 通過在地平面上蝕刻一條正方形縫隙環(huán)， 減少電介質內的表面波以提高隔離， 但該方法將天線地平面分成多個， 不利于大規(guī)模天線陣列的集成應用[6]. 此外， 人工磁性材料和超材料也被用于天線單元之間的隔離增強[7].

本文提出一種由一個二端口正八邊形貼片單元和一個二端口方形環(huán)單元構成的一個具有4個端口的 MIMO天線. 通過HFSS仿真軟件， 對天線耦合電流分布進行仿真并分析. 在此基礎上， 在電磁強耦合區(qū)域的地平面上蝕刻12條縫隙， 通過抑制耦合電磁波在電介質內傳播的方法， 來提高天線單元之間的隔離度. 在增加DGS以后， 通過進一步仿真分析， 得出優(yōu)化的天線參數、 各單元之間的相互耦合電流分布和相關系數.

1 天線的設計

1.1 四端口MIMO天線的結構

本文設計的MIMO天線由兩層金屬板和一層介電常數為4.4， 損耗角正切為0.02的FR4介質板構成. 金屬板和介質板間隔排列， 介質板的大小為L1×L1， 厚度為h， 整個天線的大小為60 mm×60 mm×1.6 mm. 所設計的MIMO天線的兩層金屬板的幾何形狀如圖 1 所示. 天線頂層金屬是由一個方形環(huán)貼片包圍一個正八邊形貼片組成， 如圖1(a)所示. 方形環(huán)貼片天線單元由兩個同軸探針端口P1和P2饋電， 激勵出方形環(huán)貼片單元的兩個高階諧振模式TM12和TM21模； 而正八邊形貼片天線單元同樣通過兩個同軸探針端口P3和P4饋電， 激勵出正八邊形貼片單元的TM01模式和TM10模式. 為了減少天線單元之間的耦合電流， 在天線的下層金屬平面上蝕刻12條長和寬分別為ls和ws的縫隙， 如圖1(b)中所示. 這些蝕刻的縫隙是對應環(huán)繞在正八邊形貼片的四周， 分為4個方向， 每個方向3條縫隙， 縫隙間隔為g.

圖 1 四端口MIMO天線結構圖Fig.1 Configuration of 4 ports MIMO antenna

天線各部分的尺寸為:L1=60 mm,L2=58 mm,L3=40 mm,L4=34.2 mm,a=9.7 mm,b=14.4 mm,c=8 mm,d=10 mm,g=1.2 mm,h=1.6 mm,ls=29.6 mm,ws=0.8 mm.

1.2 表面電流分布及DGS的設計

通常情況下， 天線的諧振頻率由天線的幾何尺寸所決定. 為了進一步研究四端口MIMO天線參數， 通過HFSS仿真軟件， 對天線地平面上的表面電流分布進行了仿真. 在諧振頻率2.45 GHz上， 天線分別由4個端口P1～P4激勵時， 天線地平面上的表面電流分布結果如圖 2， 圖 3 所示. 從圖2 (a)可以觀察到， 對于P1激勵的電流沿垂直環(huán)臂有兩個極大值， 沿水平環(huán)臂只有一個極大值， 表明端口P1激勵正方形環(huán)貼片的TM12模式. 從圖2 (b)可以觀察到， 對于P2激勵的電流沿垂直環(huán)臂有一個極大值， 沿水平環(huán)臂卻有兩個極大值， 表明端口P2激勵正方形環(huán)貼片的TM21模式. 由于這兩個模式是相互正交的， 所以端口P1和P2之間具有高隔離度. 同理如圖2 (c)～圖2(d)所示的電流路徑可知， 端口P3和P4分別激勵八邊形貼片的兩種模式TM10和TM01. 同樣模式TM10和TM01也是正交的， 端口P3和P4之間也具有較高的隔離度. 比較圖2中的電流分布可知， 由于耦合電流的存在， 端口P1和P3， 以及端口P2和P4之間具有相似的電流分布， 他們兩兩之間的隔離度將變得很差. 本文采用在地平面上設置缺陷地結構的方法， 通過阻礙耦合電流在介質內的傳播， 來提高端口之間的隔離度. 如圖3所示， 由于縫隙的存在， 端口P1和P2所激勵的電流主要分布在外部方形環(huán)上， 八邊形貼片上的耦合電流變得很?。?而端口P3和P4所激勵的電流主要分布在八邊形貼片上， 外部方形環(huán)上的耦合電流則變得很小. 所以在設置了縫隙之后， 即使具有相似電流分布的兩個端口也將具有較高的隔離度.

圖 2 無DGS時的地平面上的表面電流Fig.2 Surface current on ground without DGS

圖 3 有DGS時的地平面上的表面電流Fig.3 Surface current on ground with DGS

2 天線的仿真結果

運用HFSS仿真軟件求解分析， 我們可以得到天線參數的仿真結果如圖 4～圖 7 所示. 設置DGS前后， 天線S參數的仿真結果如圖 4， 圖 5 所示. 由圖 4 可知， 沒有采用DGS時， 由于天線單元輻射具有相同極化， 天線端口耦合參數S13和S24較高， 在2.45 GHz到達了-13.5 dB. 如圖 5 所示， 采用DGS以后， 天線所有端口間的耦合值包括S13和S24均低于-23.6 dB. 天線各單元間的隔離在2.45 GHz頻率處改善了10.1 dB. 此外， 增加DGS以后， 天線各單元的諧振頻率均變?yōu)?.45 GHz， 方形環(huán)天線和八邊形貼片天線的阻抗帶寬分別是80 MHz和50 MHz.

圖 4 無DGS時的S參數Fig.4 S parameters without DGS

圖 5 有DGS時的S參數Fig.5 S parameters with DGS

同時， 天線所有4個端口在E-面和H-面的輻射方向圖也進行了仿真， 如圖 6 所示. 環(huán)形天線端口P1和P2具有正交的極化方向； 正八邊形貼片天線端口P3和P4具有正交的極化方向， 這樣能夠確保端口之間的耦合很小. 然而， 相同極化方向的端口之間的相互耦合則會較高， 比如P1和P3之間. 采用DGS之后， 雖然沒有改變電流的極化方向， 但是減小了耦合電流， 同樣可以降低天線端口之間的耦合.

圖 6 有DGS時的輻射方向圖Fig.6 The radiation pattern with DGS

對天線的多輸入多輸出性能也進行了分析. 一般情況下， 包絡相關系數(envelope correlation coefficient, ECC)低于0.2的可以確保輻射信號之間不相關. 天線包絡相關系數計算得到的結果如圖 7 所示. 可以觀察到， 天線相關系數在工作頻帶內總是低于0.1， 可以確保天線具有良好的MIMO性能.

圖 7 天線單元間的包絡相關系數Fig.7 Envelope correlation coefficients between antenna elements

3 結 論

本文設計了一種新型的四端口MIMO天線， 該天線由一個正八邊形貼片和一個方形環(huán)貼片構成. 在分析天線表面電流分布的基礎上， 通過設計在天線地平面上蝕刻12條縫隙的缺陷地結構， 減少了各單元之間的表面波耦合， 提高了天線單元之間的隔離度. 仿真結果表明： 利用文中提出的DGS， 設計的MIMO天線的所有耦合值在工作頻帶內均低于-23.6 dB， 并且不同的端口之間的相關系數ECC均低于0.1.

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Design of a High Isolation MIMO Antenna with DGS

HAN Guorui1, DUAN Meiling2, LI Li1

(1. College of Physics & Electronics Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China;2. School of Foreign Language, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

In this paper, a novel four ports of high isolation multiple-input-multiple-output (MIMO) antenna is designed. The radiation elements of the proposed MIMO antenna include an octagonal patch and a square ring patch. The antenna operates in over 50 MHz bandwidth centered at 2.45 GHz. A novel defected ground structure (DGS) for improving the isolation between four ports is designed. The relation between the DGS and the coupling current is analyzed. With the DGS, the current paths are changed, The coupling between antenna elements is reduced, thus the high isolation between antenna elements is realized.. Simulation results show that the isolation is improved by 10.1 dB and the mutual coupling values of less than -23.6 dB are obtained between antenna elements.

multiple-input and multiple-output (MIMO); mutual coupling; defected ground structure (DGS); envelope correlation coefficient (ECC)

1671-7449(2017)01-0051-05

2016-07-09

國家自然科學基金資助項目(61172045， 61271160)； 國家基礎科學人才培養(yǎng)基金資助項目(J1103210)； 山西省自然科學基金資助項目(2014021021-1， 2015011042， 2015011051)

韓國瑞(1977-)， 男， 講師， 博士， 主要從事微帶天線以及封裝天線的研究.

TN823+.24

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.01.009