一種基于缺陷地結(jié)構(gòu)的雙單元MIMO天線陣寬帶解耦方法

蔡志強(qiáng),王 平

(重慶郵電大學(xué) 重慶市移動(dòng)通信市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

一種基于缺陷地結(jié)構(gòu)的雙單元MIMO天線陣寬帶解耦方法

蔡志強(qiáng),王 平

(重慶郵電大學(xué) 重慶市移動(dòng)通信市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

基于缺陷地結(jié)構(gòu)互耦抑制機(jī)理，研究了手機(jī)移動(dòng)終端雙單元多輸入多輸出(multiple input multiple output,MIMO)天線陣實(shí)現(xiàn)寬帶解耦方法。該方法是在T型分支上加載3對(duì)不同長(zhǎng)度的開口槽線，形成1對(duì)L型單極分支和2對(duì)I型單極分支，分別在不同頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)解耦，再聯(lián)合實(shí)現(xiàn)寬帶解耦的方式。測(cè)試結(jié)果表明，以-6 dB的反射系數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)，帶寬能覆蓋低頻段75 MHz(685 MHz～760 MHz)和50 MHz(910 MHz～960 MHz)，高頻段880 MHz(1.65 GHz～2.53 GHz)，天線單元間的耦合程度小于-15 dB，滿足GSM900，LTE700，GSM1800，GSM1900，UMTS，LTE2300，LTE2500和2.4 GHz WLAN等常用通信頻段的帶寬需求，對(duì)于目前2G，3G，4G通信系統(tǒng)共存的市場(chǎng)局面也擁有良好的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。該天線的增益在工作頻段0.51～2.45 dBi變化，效率在60%以上，顯示出了良好的輻射性能。

寬帶解耦；開口槽線；L/I型單極；移動(dòng)終端；多輸入多輸出(MIMO)

0 引 言

多輸入多輸出(multipleinput multiple output,MIMO)技術(shù)在提高系統(tǒng)信道容量和數(shù)據(jù)傳輸速率上有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，一直以來成為各學(xué)者研究的重點(diǎn)。在傳統(tǒng)的MIMO通信系統(tǒng)中，基站端通常為多天線陣列，而移動(dòng)手機(jī)終端僅考慮為單個(gè)天線多個(gè)用戶組成多天線信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)，以此提升系統(tǒng)的信道容量，進(jìn)而改善通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量[1]。然而，受工作機(jī)理的限制，單用戶單天線結(jié)構(gòu)難以滿足日益增長(zhǎng)的通信質(zhì)量和容量需求，因而單用戶多天線結(jié)構(gòu)布局研究就變得非常有必要。但受手機(jī)等移動(dòng)終端有限空間和強(qiáng)耦合效應(yīng)的影響，嚴(yán)重地限制了天線數(shù)量和通信質(zhì)量。因此，研究移動(dòng)終端多天線的解耦技術(shù)才能有效地推動(dòng)移動(dòng)終端MIMO通信技術(shù)的發(fā)展。

近年來，多種解耦技術(shù)已被報(bào)道，如加載解耦電路網(wǎng)絡(luò)[2]，地平面分支[3]，耦合單元(包括加載特異性材料)[4-5]，缺陷地結(jié)構(gòu)[6-7]，中和線技術(shù)(neutralization lines)[8]，等。雖然這些技術(shù)能降低陣元間的耦合效應(yīng)，陣元間距也較小，但是僅實(shí)現(xiàn)了窄帶解耦，而寬帶解耦方式并未涉及。因?yàn)槎喾N通信頻段的共存，比如需要同時(shí)覆蓋GSM900(880～960 MHz)/GSM1 800(1 710～1 880 MHz)/GSM1 900(1 850～1 990 MHz)/UMTS(1 920～2 170 MHz)/LTE2 300(2 300～2 400 MHz)等頻段，就需要單個(gè)天線的工作帶寬越來越寬，隨之也要求解耦的頻率范圍也越寬。因此，研究覆蓋多種無線通信頻段的寬帶解耦技術(shù)迫在眉睫。最近，清華大學(xué)杜正偉教授基于中和線技術(shù)，采用3根不同長(zhǎng)度的連接線，3根連接線分別在不同頻帶實(shí)現(xiàn)解耦，并聯(lián)合形成寬帶的解耦方式[9]。雖然該方法能夠達(dá)到寬帶解耦的目的，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，3根中和線的寬度和位置參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)影響敏感，想要達(dá)到最佳的解耦效果所要求的中和線尺寸的仿真調(diào)試需要花費(fèi)大量的時(shí)間。

缺陷地結(jié)構(gòu)因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、所占用的空間小、諧振頻段易于調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，一直以來被大量運(yùn)用在移動(dòng)終端解耦技術(shù)研究中。為此，該文基于缺陷地結(jié)構(gòu)技術(shù)，在突出的T型地平面上加載3對(duì)不同長(zhǎng)度開口槽線，形成1對(duì)L型單極和2對(duì)I型單極。I型和L型單極不僅使得2個(gè)天線單元在6 mm的間距下具有良好的隔離度，而且在工作頻段內(nèi)改善了阻抗匹配。測(cè)試結(jié)果表明，整個(gè)天線在低頻段(0.68～0.76 GHz,0.91～0.96 GHz)和高頻段(1.65～2.53 GHz)的頻帶陣元間耦合值小于-15 dB。

1 天線結(jié)構(gòu)

建議的MIMO天線陣為單平面結(jié)構(gòu)，采用成熟的印刷電路板技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)。整個(gè)天線印刷在僅0.728 mm厚的低成本FR4介質(zhì)板上，介質(zhì)板的相對(duì)介電常數(shù)為4.4，正切損耗為0.02，滿足目前移動(dòng)終端天線平面化的設(shè)計(jì)需求，如圖1所示。其中，地平面區(qū)域?yàn)?0 mm×105 mm，天線陣覆蓋區(qū)域僅為15 mm×60 mm，陣元間邊緣間距為6 mm。圖1b描述了單個(gè)天線和開口槽線的結(jié)構(gòu)，并附上最優(yōu)參數(shù)值。天線單元由位于介質(zhì)板頂層的激勵(lì)單元和分支單元以及底層的耦合單元組成，整個(gè)天線單元尺寸為15 mm×26 mm。每個(gè)天線單元均由50 Ω SMA連接頭饋電，其中激勵(lì)單元和耦合單元分別加載18 nH和13 nH的電感以改善天線阻抗匹配。為了提高天線陣元間的隔離度，3對(duì)不同長(zhǎng)度開口槽線加載在兩天線單元間T型微帶分支上。為了降低設(shè)計(jì)難度，所有開口槽的寬度和槽線間隔均為0.5 mm，取3個(gè)開口槽的長(zhǎng)度分別為18，21.8，24 mm，分別在不同的頻點(diǎn)諧振，形成寬帶的隔離效應(yīng)。其隔離原理為在T型微帶分支上蝕刻開口槽線不僅阻斷地平面電流在兩天線單元間流動(dòng)，也可因開口槽線諧振產(chǎn)生的輻射電磁波有效地抑制天線陣元間輻射場(chǎng)的耦合。

圖1 天線結(jié)構(gòu)Fig.1 Antenna structure

2 參數(shù)分析

為了深入地理解該解耦網(wǎng)絡(luò)的去耦機(jī)制，該部分對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)分析。參數(shù)分析時(shí)僅一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化，其他參數(shù)保持不變。

圖2給出了建議的雙單元MIMO天線陣的演化過程。圖3給出了圖2中每種天線陣結(jié)構(gòu)的S參數(shù)曲線。從圖3可知，天線的阻抗匹配極差，且在高頻段，諧振頻段內(nèi)的能量傳輸系數(shù)(S12)最大。然而，當(dāng)在地平面頂端加載T型分支時(shí)，結(jié)構(gòu)見圖2b，不僅阻抗匹配得到了改善，而且能量傳輸系數(shù)也相應(yīng)得到了降低。若在T型分支對(duì)稱地再加載3對(duì)I型開口槽線，形成1對(duì)L型分支線和2對(duì)I型分支線，如圖2c，天線的阻抗匹配和能量傳輸系數(shù)都獲得了進(jìn)一步改善，即意味著2個(gè)天線輻射場(chǎng)的互干擾得到抑制。

圖2 解耦方法Fig.2 Decoupling methods

圖3 圖2中加載不同解耦網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)曲線Fig.3 Simulated reflection coefficient of the three antennas with different decoupling network shown in Fig.2

圖4描述了在T型地平面分支上分別加載：①開口槽1；②開口槽1和2；③開口槽1和2和3這3種組合方式時(shí)，天線端口反射系數(shù)曲線的變化規(guī)律。從圖4中可知，以-6 dB反射系數(shù)(S11)值為標(biāo)準(zhǔn)，在低頻段，不同組合的開口槽線對(duì)天線的阻抗匹配影響較小，而在高頻段，加載槽線1和加載槽線1和2這2種組合方式時(shí)的阻抗帶寬相對(duì)較寬。由于該文主要研究天線陣元間的寬帶解耦，因而應(yīng)折中考慮阻抗匹配帶寬和隔離效應(yīng)。

圖4 加載不同數(shù)量開口槽線時(shí)能量反射系數(shù)(S11)曲線Fig.4 S11 curves as etching different quantity of open-ended slots

圖5描述了在T型地平面分支上分別加載：①開口槽1；②開口槽1和2；③開口槽1和2和3這3種組合方式時(shí)，能量傳輸系數(shù)(S12)曲線的變化規(guī)律。圖5表明，隨著開口槽數(shù)量的增加，在低頻范圍能量傳輸系數(shù)(S12)參數(shù)變化甚微，而在高頻范圍，能量傳輸系數(shù)(S12)明顯降低，意味著兩天線間的耦合效應(yīng)獲得了抑制。當(dāng)僅加載開口槽線1時(shí)，在頻率為1.77～1.81 GHz能量傳輸系數(shù)(S12)高于-10 dB。當(dāng)同時(shí)加載開口槽線1和2時(shí)，陣元間的耦合獲得了改善。若再加載開口槽線3時(shí)，耦合效應(yīng)進(jìn)一步獲得抑制，在工作頻帶內(nèi)能量傳輸系數(shù)(S12)曲線低于-13 dB。

3 仿真與測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，優(yōu)化設(shè)計(jì)的天線陣被加工，并采用安捷倫N5230A系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析進(jìn)行S參數(shù)測(cè)試，如圖6所示。圖7給出了天線陣的仿真和測(cè)試結(jié)果。從圖7中可知，仿真與測(cè)試值基本吻合，但也呈現(xiàn)出較小的誤差，誤差的主要來源可以概括為①SMA接頭粗糙的焊接；②室內(nèi)不理想的測(cè)試環(huán)境；③加工誤差；④介質(zhì)參數(shù)的誤差；⑤仿真算法的誤差等。測(cè)試結(jié)果表明，以S11<-6 dB為標(biāo)準(zhǔn)，低頻段覆蓋685～760 MHz頻段和910～960 MHz頻段，絕對(duì)帶寬分別為75 MHz和50 MHz；高頻段覆蓋1 650～2 530 MHz頻段，絕對(duì)帶寬為880 MHz。天線能夠覆蓋的通信頻段為L(zhǎng)TE700(699～716 MHz)/GSM900(935～960 MHz)GSM1 800(1 710～1 880 MHz)/GSM1 900(1 850～1 990 MHz)/UMTS(1 920～2 170 MHz)/LTE2 300(2 300～2 400 MHz)等頻段，且陣元間的能量傳輸系數(shù)(S12)小于-15 dB。值得注意的是，雖然該天線陣不能完全覆蓋各無線通信頻段，但是簡(jiǎn)單的寬帶解耦方法能夠應(yīng)用到各種寬帶MIMO天線陣中。

圖5 加載不同數(shù)量開口槽線時(shí)能量傳輸系數(shù)(S12)曲線Fig.5 S12 curves as etching different quantity of open-ended slots

圖6 天線陣列實(shí)物圖Fig.6 Photograph of the antenna array

圖7 天線實(shí)際S參數(shù)測(cè)量值與仿真值對(duì)比Fig.7 Measured and simulated S-parameters of the proposed antenna array

為了分析介質(zhì)參數(shù)的誤差，本文仿真分析了相對(duì)介電常數(shù)對(duì)于S參數(shù)的影響。

圖8描述了不同相對(duì)介電常數(shù)介質(zhì)基板的能量反射系數(shù)(S11)曲線。從圖8中可以，看出隨著相對(duì)介電常數(shù)的增大，在低頻段天線單元的S11曲線變化較小。而在高頻段，低于以反射系數(shù)-6 dB為標(biāo)準(zhǔn)的帶寬范圍逐漸向左移動(dòng)，即有效帶寬向低頻段移動(dòng)，而最低波峰隨著相對(duì)介電常數(shù)的增大而逐漸降低，這些都與實(shí)際測(cè)量值的變化趨勢(shì)是相符合的。

圖8 不同相對(duì)介電常數(shù)反射系數(shù)曲線Fig.8 Reflection coefficient curves with variation permittivity

圖9為不同相對(duì)介電常數(shù)介質(zhì)基板的能力傳輸系數(shù)(S12)曲線。同樣地，隨著相對(duì)介電常數(shù)的增大，在低頻段的S12曲線呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)；而在高頻段隨著相對(duì)介電常數(shù)的增大，S12曲線的第一個(gè)波峰隨著降低，但是當(dāng)相對(duì)介電常數(shù)從4.8變?yōu)?.2時(shí)波峰反而上升，為了增大天線間的隔離度應(yīng)選擇他們之間的某一個(gè)值。

圖9 不同相對(duì)介電常數(shù)能量傳輸曲線Fig.9 Energy transmission coefficient curves with variation permittivity

綜合分析圖8和圖9，引入誤差的實(shí)際加工FR4介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)為4.8～5.2。

圖10描述了天線陣列在0.73 GHz頻點(diǎn)的輻射方向圖。若天線單元1激勵(lì)時(shí)，天線單元2連接到50 Ω的匹配負(fù)載，反之亦然。從輻射方向圖可知，天線1和天線2是對(duì)稱輻射場(chǎng)。

圖10 0.73 GHz頻點(diǎn)輻射方向圖Fig.10 Normalized radiation patterns at 0.73 GHz

圖11 2 GHz頻點(diǎn)輻射方向圖Fig.11 Normalized radiation patterns at 2 GHz

圖12 天線單元在高頻段內(nèi)的增益以及效率Fig.12 Antenna gain and efficiency in the upper band

圖11描述了天線陣列在2 GHz頻點(diǎn)的輻射方向圖。圖11中表明，在XY平面，天線1和天線2的輻射方向圖主瓣朝著相反的方向，即兩天線輻射場(chǎng)的重合部分減少，實(shí)現(xiàn)高的隔離效應(yīng)。天線的輻射能力在低頻段和高頻段都能夠近似覆蓋全方向空間，對(duì)于提高對(duì)抗多徑衰弱和系統(tǒng)穩(wěn)定性是十分有幫助的。

圖12描述了天線在工作頻段(1.65～2.53 GHz)內(nèi)的天線效率以及增益。從圖12中可知，天線增益在全部工作頻段0.51～2.45 dBi，效率全部在60%以上，顯示出了良好的輻射性能。

4 總 結(jié)

該文提出了一種基于缺陷地結(jié)構(gòu)技術(shù)的雙單元MIMO天線陣寬帶解耦方法，即在T型接地平面上蝕刻3對(duì)不同長(zhǎng)度的開口槽線，構(gòu)成一對(duì)L型單極分支和2對(duì)I型單極分支，每個(gè)分支在各相鄰頻段內(nèi)進(jìn)行電磁波耦合抑制，聯(lián)合實(shí)現(xiàn)寬帶解耦的方式。I型和L型單極不僅使得2個(gè)天線單元在6 mm的間距下具有良好的隔離度，而且在工作頻段內(nèi)改善了阻抗匹配。建議的雙單元MIMO天線陣被加工和測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，結(jié)果表明，兩天線在工作頻段內(nèi)的隔離度高于15 dB；天線效率高于60%；天線在工作頻段內(nèi)近似為全向輻射。由此可見，該寬帶解耦方法簡(jiǎn)單易行，解耦效果較好，擁有良好的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。

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(編輯：劉 勇)

A dual-antenna MIMO array wideband decoupling method using defected ground structure

CAI Zhiqiang，WANG Ping

(Chongqing Key Laboratory of Mobile Communication, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, P.R. China)

In this paper, a wideband decoupling method of the dual-antenna MIMO array is studied for mobile terminals based on decoupling mechanism of defected ground structure. The method is to etch three pairs open-ended slots of various lengths on a T-shaped metal ground to form a pair of L-shaped monopole branches and two pairs of I-shaped monopole branches. These branches are designed to suppress the mutual coupling between antenna elements at different bands, which forms a wideband decoupling. Measured results show that, with -6 dB reflection coefficient as a standard, the operating bandwidths are 75 MHz(685 MHz～760 MHz), 50 MHz(910 MHz～960 MHz), 880 MHz(1.65 GHz～2.53 GHz), respectively. The measured mutual coupling between antenna elements is less than -15 dB at all frequency ranges, which meets the requirements of the GSM900, LTE700, GSM1800, GSM1900, UMTS, LTE2300, LTE2500, 2.4 GHz WLAN bands. Furthermore, it is also a good practical application in the market where 2G, 3G and 4G mobile communication system co-existed. Finally, the antenna gain is varied from 0.51 dBi to 2.45 dBi, and the efficiency is above 60% at working bands, which shows that MIMO array has a well radiation performance.

wideband decoupling; open-ended slot; L/I-shaped monopole; mobile terminals; multiple input multiple output(MIMO)

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.02.006

2016-05-03

2016-10-11 通訊作者：王 平 wp@cqupt.edu.cn

港澳臺(tái)科技合作專項(xiàng)(2015DFT10170)；長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT1299)；重慶郵電大學(xué)博士啟動(dòng)基金(A2015-08)

Foundation Items：The Hong Kong, Macao and Taiwan Science and Technology Cooperation Projects (2015DFT10170); The Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University (IRT1299); The Doctoral Fund of Chongqing University of Posts and Telecommunications (A2015-08)

TN828.6

A

1673-825X(2017)02-0176-06

蔡志強(qiáng)(1990-)，男，湖北武漢人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橥ㄐ胖械碾姶爬碚撆c運(yùn)用。E-mail: 278433504@qq.com。

王 平(1981-)，男，重慶璧山人，講師，博士，主要研究方向?yàn)樘炀€與電波傳播，無線通信技術(shù)。E-mail: wp@cqupt.edu.cn。