寬頻帶雙極化MIMO天線設(shè)計(jì)

劉永利，徐興貴，哈 達(dá)

（武警警官學(xué)院 四川 成都 610213）

1 引言

對(duì)于多天線的隔離手段一直是國內(nèi)外學(xué)者專家的研究熱點(diǎn)，其中文獻(xiàn)[1]中就提出了以優(yōu)化單元間的間隔為主要手段來提高隔離度，但是這種方法調(diào)整復(fù)雜并且以犧牲天線有限空間為代價(jià)。文獻(xiàn)[2]和[3]中則是采用改變接地面結(jié)構(gòu)方法來提高隔離度，具體是在接地面開槽和增加延伸的枝節(jié)，為了可以實(shí)現(xiàn)提高多頻帶和寬頻帶MIMO天線的隔離度，在文獻(xiàn)[4]和[5]中采用的是一種電磁帶隙結(jié)構(gòu)來提高隔離，這種方法提高隔離的同時(shí)會(huì)增加天線的尺寸和復(fù)雜度，不利于天線的小型化設(shè)計(jì)。依據(jù)目前多種極化隔離的天線大體可分為這么幾種：立體極化MIMO天線、多層極化MIMO天線、單層極化MIMO天線。為了實(shí)現(xiàn)寬帶化的要求，本文就以圓形的寬帶結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)模型，結(jié)合天線極化分集的技術(shù)設(shè)計(jì)一款寬帶的極化MIMO天線。

2 寬帶極化MIMO天線的設(shè)計(jì)

本文以圓形結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)模型，對(duì)其組陣然后設(shè)計(jì)出寬帶極化的MIMO天線，這款天線的介質(zhì)材料選取常見的FR4型介質(zhì)板，其介電常數(shù)為4.4，板材的厚度為1.6mm，尺寸為30mm×40mm。首先對(duì)圓形的單極子進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。

通過建模和初步的仿真，得出單極子天線的回波損耗S11曲線如圖1所示。

圖1 圓形單極子回波損耗的S11曲線仿真圖

從上圖我們可以看出天線的回波損耗S11曲線在-10dB以下的工作頻段為2.1GHz～5.2GHz具有良好的寬帶性能。

依據(jù)上面的單極子天線模型，將其進(jìn)行組陣設(shè)計(jì)，其組陣的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 簡單組陣后的天線結(jié)構(gòu)圖

簡單組裝并對(duì)兩個(gè)單極子間參數(shù)a和b進(jìn)行優(yōu)化以便得到最佳的參數(shù)性能得到當(dāng)參數(shù)a=9mm時(shí)天線的參數(shù)性能比較優(yōu)良。

經(jīng)過這兩個(gè)參數(shù)的優(yōu)化最終設(shè)計(jì)出一款垂直極化的寬帶MIMO終端天線。該款天線的兩個(gè)單極子分居于介質(zhì)板的兩個(gè)面上并且都采用共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)。

可知天線的測量值帶寬相比于仿真有200MHz的展寬，而隔離度優(yōu)于-19dB與仿真的相差2dB，隔離性能略差一些，但是也已經(jīng)符合了設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了良好的隔離性能。

3 天線的對(duì)比討論

3.1 平行結(jié)構(gòu)的圓形MIMO天線

本文為了形成鮮明的對(duì)比，得出垂直極化能夠提高天線的隔離度，本文以上面所設(shè)計(jì)的那一款天線為原形，基本尺寸不變，只是對(duì)兩個(gè)天線單元的位置進(jìn)行重新的擺設(shè)，首先使其兩個(gè)圓形的天線單元，位于介質(zhì)板的同一個(gè)面上而且這兩個(gè)天線單元的位置為平行放置，我們?cè)谲浖袠?gòu)造出這款天線的三維立體模型仿真，得出這兩款作對(duì)比天線的參數(shù)S11、S22和S12的曲線仿真圖。這款極子平行放置的天線隔離度曲線S12在天線的工作頻段內(nèi)只能優(yōu)于-15dB，而其天線的回波損耗S22曲線，在-10dB以下的頻段非常窄，表明其單元的輻射性能不好。通過以上的結(jié)果對(duì)比分析，我們得出垂直極化可以提高天線的隔離性能。

3.2 兩個(gè)單元位于同一個(gè)面的MIMO天線

上面我們已經(jīng)對(duì)垂直極化的隔離性能進(jìn)行了驗(yàn)證，在這里我們就驗(yàn)證一下，MIMO天線中天線單元放置在介質(zhì)板兩個(gè)面上能夠提高天線的隔離性能。我們還是在原天線的基礎(chǔ)上，尺寸不作改動(dòng)，只改變了兩天線單元在介質(zhì)板上的擺放位置，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款兩個(gè)單元位于同一個(gè)面的MIMO天線。

通過建模仿真，我們得出這兩款對(duì)比天線的S11、S22和S12參數(shù)曲線仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 兩個(gè)單元位于同一個(gè)面的MIMO天線的S11、S22和S12的曲線仿真圖

4 結(jié)語

本款天線的結(jié)構(gòu)尺寸為30mm×40mm，主要工作在IEEE802.11a與HIPERLAN/2頻段(5～6GHz)頻段內(nèi)，其工作帶寬能夠達(dá)到2GHz，在其工作帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)了良好的隔離性能，符合了天線設(shè)計(jì)小型化寬帶化的要求。對(duì)比討論得知垂直極化是一種有效提高隔離的方法，并且天線的單元分居于介質(zhì)板不同的兩個(gè)面上時(shí)也能一定程度上提高隔離性能。

[1] Hui Li,JiangXiong,and Sailing He,A Compact Planar MIMO Antenna System of Four Elements With Similar Radiation Characteristics and Isolation Structure[J],vol.8,no.2,pp.1107-1110,2009.

[2] Y.Luo,Q.Chu,andL.Zhu.Alow-profilewide-beamwidth circularly-polarized antenna via two pair of parallel dipoles in a square contour[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,Vol.63,no.3,pp.931-936,Mar. 2015.

[3] Jian-Feng Li,Qing-Xin Chu and Tian-Gui Huang,A Compact Wideband MIMO Antenna With Two Novel Bent Slits[J] IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION,VO L.60,NO.2,FEBRUARY 2012.

[4] C.Deng,Y.Li,Z.Zhang,and Z.Feng.A wideband sequentialphase fed circularly polarized patch array[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.62,no.7,pp.3890-3893,Jul.2014.

[5]郭騰.MIMO終端天線的寬頻帶/多頻段與低互耦設(shè)計(jì)[D],云南大學(xué)碩士學(xué)位論文,Jau 2012.