基于角度分集的機(jī)載超寬帶MIMO天線設(shè)計

李振亞，竺小松，尹成友，吳偉，王勇

國防科技大學(xué) 電子對抗學(xué)院，合肥 230037

無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展對系統(tǒng)信道容量和數(shù)據(jù)傳輸率提出了更高要求。多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)技術(shù)采用極化分集和角度分集的方式，充分利用多徑分量和多天線技術(shù)，在不增加天線發(fā)射功率和頻譜資源的情況下，可極大地增加系統(tǒng)容量和提高信號傳輸率，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用[1-2]。第5代移動通信(5G)在MIMO技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了Massive MIMO技術(shù)，以期帶來無線傳輸?shù)木薮箫w躍[3]。

超寬帶(Ultra WideBand, UWB)天線作為無線通信傳輸系統(tǒng)的重要終端組件，被廣泛地應(yīng)用于超高速無線通信等很多領(lǐng)域，如超寬帶通信、超寬帶雷達(dá)和超寬帶電子對抗系統(tǒng)中。采用MIMO技術(shù)，設(shè)計UWB-MIMO天線，對于提高系統(tǒng)信道容量具有重要的現(xiàn)實意義[4-5]。根據(jù)分集方式的不同，通?？梢詫WB-MIMO天線分為極化分集和角度分集兩種類型，角度分集又稱為方向圖分集。文獻(xiàn)[6-7]采用雙端口正交饋電的方式設(shè)計了極化分集UWB-MIMO天線，文獻(xiàn)[8-9]設(shè)計了對稱結(jié)構(gòu)的角度分集UWB-MIMO天線。由于超寬帶頻帶范圍內(nèi)存在著其他干擾頻段，因而陷波UWB-MIMO天線的設(shè)計也尤為重要[10-13]。為了提高M(jìn)IMO天線的隔離度，使天線能夠較好地工作，多種去耦合設(shè)計開始出現(xiàn)。文獻(xiàn)[14]通過在天線地板上開互補(bǔ)開口環(huán)諧振器，有效減小了天線間的互耦。文獻(xiàn)[15]在地板上增加F型枝節(jié)，增加了MIMO天線端口隔離度。以往的UWB-MIMO天線設(shè)計大部分是基于超寬帶單極子天線和超寬帶縫隙天線，且天線單元相同，對不同天線單元組合的MIMO天線結(jié)構(gòu)[16]研究較少。漸變槽天線作為一種常見的機(jī)載超寬帶天線，具有增益高定向性好的優(yōu)點(diǎn)，采用MIMO技術(shù)，設(shè)計超寬帶漸變槽MIMO天線將有很大優(yōu)勢[17]，但從目前研究結(jié)果來看，只有極少數(shù)論文對漸變槽超寬帶MIMO天線進(jìn)行了研究[18-20]。

在現(xiàn)代化的飛機(jī)、軍艦等運(yùn)動平臺上需要安裝數(shù)十套甚至數(shù)百套天線以滿足雷達(dá)、通信、電子支援和電子干擾等需要。天線的安裝位置既要保證天線性能指標(biāo)得以充分發(fā)揮又要兼顧相互間的電磁兼容性，這是非常困難的。同時，幾十套不同類型的天線分布在飛機(jī)的各個部位，對飛機(jī)的空氣動力學(xué)性能和隱身性能都有很大的影響。由于機(jī)載平臺的空間有限，在設(shè)計機(jī)載天線時，要盡量減小天線的尺寸，希望用一副天線實現(xiàn)雷達(dá)、通信和電子對抗等多種功能，這就需要天線具有低剖面、超寬帶、小型化等特點(diǎn)。特別是隨著通信雷達(dá)一體化的發(fā)展，將通信天線和雷達(dá)天線進(jìn)行組合設(shè)計，集成綜合電子信息系統(tǒng)，不僅可以提高數(shù)據(jù)傳輸容量，而且可以大大減少射頻鏈路機(jī)載占用空間，具有重大的現(xiàn)實意義。

本文提出一種基于角度分集的機(jī)載超寬帶MIMO天線，將Vivaldi漸變槽天線和超寬帶槽天線進(jìn)行了集成設(shè)計，不需要采用復(fù)雜的解耦結(jié)構(gòu)便可獲得較高的隔離度，整個天線設(shè)計比較簡單，相比單天線單元，工作頻帶更低，具有小型化的優(yōu)勢。兩個天線單元的阻抗帶寬均覆蓋了整個3.1～10.6 GHz超寬帶頻段，對超寬帶漸變槽MIMO天線的設(shè)計具有一定的借鑒意義。設(shè)計的天線可以應(yīng)用于機(jī)載超寬帶Vivaldi天線陣列中。

1 天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計原理

圖1為所設(shè)計的超寬帶MIMO天線結(jié)構(gòu)圖。天線的整個尺寸為36 mm×36 mm×0.8 mm，選用FR4介質(zhì)板材，介電常數(shù)為4.4，損耗角正切值為0.02。Vivaldi天線的饋電Ws處定義為端口1，超寬帶槽天線的饋電Wf處定義為端口2。圖中：L和W分別為天線的長度和寬度,W1和d分別為漸變縫隙的最大和最小開口寬度,L1和W2分別為開槽的長度和寬度,R和R1分別為Vivaldi天線的漸變縫隙和終端饋線圓半徑,Ws和Wf分別為Vivaldi和槽天線的饋線寬度,L2和W3分別為槽天線的長度和寬度,W4為Vivaldi天線的饋線長度。Vivaldi天線屬于一種典型的端射行波天線，一般是由漸變槽線和饋電結(jié)構(gòu)兩個部分組成。本文設(shè)計天線采用的饋電結(jié)構(gòu)為微帶槽線轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，微帶饋線如圖1(b)中Ws處長條和圓形的組合結(jié)構(gòu)所示。天線通過微帶線饋電后，經(jīng)微帶槽線轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，將饋入的電磁波能量傳遞給槽線傳輸線，由于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)處的槽線傳輸線寬度比較窄，輻射能力比較弱，因此饋入的電磁波能量主要被束縛在槽線傳輸線之間并沿著槽線傳輸線傳播至漸變槽線部分。由于漸變槽線的寬度逐漸增加，因此沿著電磁波傳播方向上槽線對電場的束縛作用將會逐漸減弱，漸變槽線對電磁波的輻射能力逐漸增強(qiáng)。當(dāng)漸變槽線的寬度約等于工作頻率的半個波長時，電磁波將達(dá)到諧振狀態(tài)，天線產(chǎn)生沿著開口槽方向輻射的電磁波。對于不同頻率的電磁波而言，輻射部分對應(yīng)的槽線寬度也不同。因此當(dāng)漸變槽線具有較大變化范圍時，天線可以輻射很寬頻帶內(nèi)的電磁波能量。Vivaldi天線具有帶寬寬、定向性好、交叉極化低等優(yōu)點(diǎn)，常被應(yīng)用于機(jī)載超寬帶系統(tǒng)中。天線的工作頻率與天線的電尺寸息息相關(guān)，天線的小型化可以從以下兩個方面體現(xiàn)：同等幾何尺寸下，天線的工作頻率更低；同等工作頻率下，天線的幾何尺寸更小。本文在Vivaldi天線的輻射臂上通過開槽，一方面可以有效地增加其外邊沿的電長度，改變外邊沿的電流分布繼而來改善低頻段的阻抗特性，從而使天線低頻段的帶寬邊沿向低頻段偏移，擴(kuò)展天線的工作帶寬，實現(xiàn)小型化；另一方面通過在輻射臂上開槽，也可以相應(yīng)地減弱輻射臂兩側(cè)的輻射電流，從而提高天線的定向輻射性能；然后以Vivaldi天線的輻射臂作為地板，在天線背面增加方形輻射貼片，集成槽天線單元，大大提高了空間利用率，實現(xiàn)了一種小型化的雙端口機(jī)載超寬帶MIMO天線。槽天線以Vivaldi天線的輻射臂作為地板結(jié)構(gòu)，Vivaldi天線整個的輻射臂電長度較大，且為曲線結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)槽天線地板結(jié)構(gòu)，本文槽天線單元也具有小型化的優(yōu)勢。由于本文槽天線地板為非閉合結(jié)構(gòu)，金屬地板主要集中在天線的左側(cè)，因而槽天線的輻射方向圖主要朝向右側(cè)。利用Vivaldi天線的前向端射特性和超寬帶槽天線的右側(cè)邊射特性來實現(xiàn)角度分集。

圖1 MIMO天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Geometry of MIMO antenna

Vivaldi天線的工作帶寬主要由指數(shù)曲線的開槽線決定，槽線最大開口處的尺寸決定了Vivaldi天線的最大工作波長(即最小工作頻率)，其最小開口尺寸則決定最大工作頻率，輻射貼片開槽寬度對應(yīng)為λ/2(λ為天線工作波長)。本文初始設(shè)計的Vivaldi天線工作帶寬為4～15 GHz。最大開口W1取天線最大工作波導(dǎo)波長λmax的一半，其表達(dá)式為

(1)

式中：c為真空中光速；fL為天線最低工作頻率；εr為相對介電常數(shù)。將fL=4 GHz代入式(1)，得到W1=λg/2=17.9 mm，而通常最大開口取值的時候要略大于1/2最大波長，因而表1中取值為21.1 mm(最終優(yōu)化后的數(shù)值)。同理，最小開口尺寸一般更小，取小于最小工作波長一半的1/10，這里取值為0.4 mm。

Vivaldi天線的指數(shù)漸變曲線可以表示為

y=C1eαx+C2

(2)

式中:C1和C2分別由曲線的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)來決定;α為曲線的漸變因子，決定曲線平緩程度，這里曲線的漸變因子為0.118。

采用高頻結(jié)構(gòu)仿真器(High Frequency Structure Simulator,HFSS)仿真軟件，通過天線的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，最終得到MIMO天線的具體尺寸如表1所示。

表1 優(yōu)化后的天線單元尺寸

Table 1 Optimized antenna unit size mm

LL1L2WW1W2W3361293621.11412W4WfWsRR1d17.41.41.42.22.90.4

2 天線的仿真與分析

2.1 天線的設(shè)計流程

圖2給出了天線的設(shè)計流程。天線1為原始設(shè)計的Vivaldi天線；在天線1的基礎(chǔ)上，通過在左右輻射臂上開對稱的方形槽，得到了天線2；最后，在天線右側(cè)底板上增加長方形貼片結(jié)構(gòu)，形成了最終設(shè)計的超寬帶MIMO天線。

由于在漸變槽天線的兩端開槽，加長了外邊沿電流流過的路徑，增加了外邊沿的電長度，改善了低頻段的阻抗特性，從而使天線低頻段的帶寬邊沿向低頻方向偏移，所以圖2中的天線2相比于天線1更小型化。圖3為3種不同天線對應(yīng)的S參數(shù)曲線。圖3(a)為天線1和天線2的反射系數(shù)對比圖，從圖中可以看出，天線2相比于天線1，通過開槽，天線的工作頻率f向低頻移動，帶寬有所展寬，向低頻展寬約1 GHz。圖3(b)為天線3(最終設(shè)計天線)的S參數(shù)曲線，從圖中可以看出，受槽天線金屬貼片影響，相比于天線2，Vival-di天線的工作帶寬進(jìn)一步向低頻偏移，低頻處帶帶寬展寬約0.5 GHz,同時高頻處帶寬也有所增加，阻抗帶寬為2.7～15.4 GHz。超寬帶槽天線的阻抗帶寬為1.8～12.7 GHz，最低工作頻率遠(yuǎn)小于同尺寸大小的超寬帶槽天線。天線端口隔離度參數(shù)S12在整個工作帶寬內(nèi)均小于-11 dB， MIMO天線的互耦比較小。

圖2 天線的設(shè)計流程Fig.2 Design process of antenna

圖3 3種不同天線S參數(shù)曲線Fig.3 S parameter curves of three different antennas

2.2 天線的參數(shù)分析

圖4給出了天線S參數(shù)隨開槽深度W2的變化曲線。從圖4可以看出，W2的變化對Vivaldi天線的反射系數(shù)影響不大，S11曲線變化相對平穩(wěn)，隨著W2的增加，工作頻率向低頻有輕微偏移。W2對超寬帶槽天線的反射系數(shù)影響較大，S22曲線波動比較大，這主要是因為開槽深度的變化影響了槽天線單元貼片與Vivaldi輻射貼片之間的距離，耦合發(fā)生了變化，對輸入阻抗影響較大。W2對天線端口隔離度參數(shù)S12在低頻處的影響較小，在高頻處，隨著W2的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。

圖4 不同W2下的天線S參數(shù)曲線Fig.4 S parameter curves of antenna for different W2

圖5給出了天線S參數(shù)隨槽天線貼片長度L2的變化曲線。從圖中可以看出，改變貼片長度，對Vivaldi天線反射系數(shù)S11影響不大，對超寬帶槽天線的反射系數(shù)S22影響較大，由于天線長度增大，工作頻率向低頻偏移。L2對S12的影響和W2對S12的影響趨勢一致，即低頻處影響不大，高頻處隨著L2的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

圖5 不同L2下的天線S參數(shù)曲線Fig.5 S parameter curves of antenna for different L2

2.3 天線的分集方向圖

圖6和圖7分別給出了天線工作在5 GHz和9 GHz時，天線單端口饋電下的三維立體方向圖。MIMO天線單端口工作時，另一端口接50 Ω匹配負(fù)載。圖6為天線工作在5 GHz時，端口1和端口2單獨(dú)饋電下，對應(yīng)的Vivaldi和超寬帶槽天線三維輻射方向圖。從圖中可以看出，Vivaldi天線的方向圖呈現(xiàn)端射特性，最大輻射方向指向前端，即-x方向(參考圖1中坐標(biāo)系)，超寬帶槽天線方向圖則呈現(xiàn)邊射特性，受天線左側(cè)Vivaldi金屬貼片的影響，相當(dāng)于增加了金屬背板，天線最大輻射方向指向右側(cè)+y方向空間，MIMO天線的方向圖存在近似90°的方向差異，可以實現(xiàn)天線的角度分集。

圖7給出了天線工作在9 GHz時,端口1和端口2單獨(dú)饋電下，對應(yīng)的Vivaldi和超寬帶槽天線三維輻射方向圖。隨著頻率的增加，Vivaldi天線的波束寬度變窄，端射特性增強(qiáng)，超寬帶槽天線波瓣在高頻情況下出現(xiàn)了分裂，但是最大輻射方向比較穩(wěn)定，依然指向+y方向空間，與Vivaldi天線的方向圖角度差異幾乎不變，具有較好的角度分集特性。

圖6 5 GHz天線三維方向圖Fig.6 3-D pattern for antenna at 5 GHz

圖7 9 GHz天線三維方向圖Fig.7 3-D pattern for antenna at 9 GHz

3 天線測量結(jié)果

本文采用仿真軟件HFSS對超寬帶MIMO天線進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，為了進(jìn)一步驗證設(shè)計超寬帶MIMO天線的實用價值和方法可靠性，按照表1給出的優(yōu)化后的天線尺寸加工了天線實物，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5230A和微波暗室對天線實物進(jìn)行了測量。圖8為天線加工實物圖，可以看出天線整體尺寸非常簡單緊湊。

圖9為測量得到的天線S參數(shù)圖，與仿真結(jié)果做了對比。由圖9可以看出，實測得到的Vivaldi天線阻抗帶寬S11<-10 dB為2.8～15.9 GHz。實測得到的超寬帶槽天線阻抗帶寬與仿真結(jié)果基本一致，阻抗帶寬為1.8～12.7 GHz。實測的S12除了在3 GHz附近略大于仿真結(jié)果外，在其他頻帶內(nèi)均小于仿真值，天線端口隔離度較好。天線整體的測試結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致，結(jié)果的差異源于天線的加工誤差和測量誤差導(dǎo)致。介質(zhì)板材的不穩(wěn)定性和加工中的焊接精度都會對天線的性能產(chǎn)生影響。

圖8 天線實物圖Fig.8 Fabricated antenna

圖9 測量與仿真S參數(shù)曲線圖Fig.9 Simulated and measured S parameter curves

圖10和圖11分別為端口1 Vivaldi天線和端口2超寬帶槽天線單獨(dú)工作時，仿真和測量得到的4、8 GHz工作頻率下的天線主極化、交叉極化輻射方向圖。MIMO天線單端口工作時，另一端口接50 Ω匹配負(fù)載。對天線的E面、H面進(jìn)行了測量，天線測量和仿真得到的主極化方向圖吻合度比較高，后瓣有所不一致，這是由于測量誤差導(dǎo)致。從圖10中可以看出，Vivaldi天線工作時，天線最大輻射方向朝向+90°方向，指向天線的前端，不同頻率下交叉極化電平差值在最大輻射方向均超過35 dB，具有非常低的交叉極化。從圖11可以看出，超寬帶槽天線工作時，天線最大輻射方向朝向0°方向，指向天線的右側(cè)，與Vivaldi天線最大輻射方向近似正交，不同頻率下交叉極化電平差值在最大輻射方向均超過25 dB。天線在低頻工作下，H面方向圖具有全向特性。

圖10 端口1工作下天線輻射方向圖Fig.10 Radiation pattern when port 1 is excited

圖11 端口2工作下天線輻射方向圖Fig.11 Radiation pattern when port 2 is excited

圖12(a)給出了端口1饋電下MIMO天線增益隨頻率的變化曲線。從圖中可以看出，實測與仿真結(jié)果基本一致，在低頻和高頻處，測量誤差較大。天線增益在整個MIMO天線工作頻帶內(nèi)均大于0 dB，最大增益達(dá)到了7.5 dB，具有較好的增益特性。由于測量增益為天線正前端的增益，隨著頻率的增加，天線主瓣可能偏離-x正前方，因而增益曲線出現(xiàn)了先增加后減小的趨勢。圖12(b) 給出了端口2饋電下MIMO天線增益隨頻率的變化曲線。由于端口2超寬帶槽天線最大工作頻率為12.7 GHz，因而只測量了2～13 GHz 的天線增益。從圖中可以看出，天線增益在整個3.1～10.6 GHz超寬帶頻段內(nèi)均大于0 dB，最大增益達(dá)到了4.7 dB,具有較好的增益特性。由于測量的為天線y方向增益，隨著天線頻率的增加，天線主瓣會發(fā)生偏移，因而增益曲線出現(xiàn)了先增加后減小的趨勢。

圖12 端口1和端口2工作下天線增益Fig.12 Antenna gain when port 1 and port 2 is excited

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于角度分集的機(jī)載超寬帶MIMO天線，創(chuàng)新性地將Vivaldi漸變槽天線和超寬帶槽天線進(jìn)行了集成設(shè)計，有別于傳統(tǒng)MIMO天線相同天線單元的設(shè)計。整個天線設(shè)計簡單，尺寸僅為36 mm×36 mm×0.8 mm，不需要采用復(fù)雜的解耦結(jié)構(gòu)便可獲得較高的端口隔離度，相比于單天線單元，工作頻帶更低，具有小型化的優(yōu)勢。仿真和實測結(jié)果表明，兩個天線單元的阻抗帶寬均覆蓋了整個3.1～10.6 GHz超寬帶頻段，天線具有較低的交叉極化特性和較好的增益特性。該MIMO天線可以產(chǎn)生接近正交的方向圖角度分集特性，對超寬帶漸變槽MIMO天線的設(shè)計具有一定的借鑒意義。設(shè)計的天線可以應(yīng)用于機(jī)載超寬帶Vivaldi天線陣列中。