基于中和線解耦的小型化MIMO天線設(shè)計(jì)

韓國(guó)瑞，吳曉麗，宋睿濤，裴立力

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006)

0 引 言

多輸入多輸出(MIMO)天線技術(shù)是新一代無(wú)線通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，其系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)空間分集、空間復(fù)用和波束賦用等性能，進(jìn)而提高信號(hào)傳輸質(zhì)量，提高頻譜利用率.但是在尺寸受限的移動(dòng)設(shè)備中放置多根天線，天線數(shù)目的增加和天線單元間的間距減小會(huì)使天線單元間發(fā)生強(qiáng)烈的互耦.互耦的存在一方面會(huì)惡化天線的輻射效率，另一方面會(huì)影響天線的阻抗匹配、輻射方向圖，增大天線間的相關(guān)性，使無(wú)線通信系統(tǒng)得不到預(yù)期的工作效果.因此，提高天線隔離度的解耦技術(shù)是多天線的核心問(wèn)題.

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者將研究重心放在降低MIMO天線的互耦.多天線單元間的互耦是制約其應(yīng)用的主要因素，天線設(shè)計(jì)者主要考慮天線單元的尺寸、數(shù)目、放置的位置對(duì)互耦的影響.MIMO 天線間的互耦主要是受地板表面電流的影響而產(chǎn)生.文獻(xiàn)[1]提出了一種雙頻帶隔離增強(qiáng)技術(shù)，使用緊湊平面螺旋線(PSL)結(jié)構(gòu)抑制電流從天線的一個(gè)端口流向天線的另一個(gè)端口；文獻(xiàn)[2]提出的MIMO天線系統(tǒng)由4個(gè)正交放置的單極倒L形輻射單元組成，通過(guò)中和線解決緊密堆積的天線之間的相互耦合，天線之間的隔離度從-4.5 dB 提高到-15 dB；文獻(xiàn)[3]在天線接地板上嵌入一個(gè)簡(jiǎn)單的3級(jí)階梯槽，在饋電線中切割兩個(gè)矩形槽，擴(kuò)大了阻抗帶寬，實(shí)現(xiàn)了3.1～12 GHz超寬帶；文獻(xiàn)[4]提出一種U型寬帶MIMO天線，采用引入天線接地板縫隙的方法在 2.4～6.35 GHz工作頻帶內(nèi)的MIMO天線隔離度能夠達(dá)到20 dB，但是在天線接地板上添加地縫結(jié)構(gòu)，惡化了天線的阻抗匹配；文獻(xiàn)[5]中提出的超寬帶MIMO天線引入了T型枝節(jié)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)耦合到天線單元 2的電流與天線單元1耦合到天線單元2的電流相位相反，相互抵消，減弱了彼此單元間的干擾性，解耦枝節(jié)如果吸收一定的輻射能量，可能降低天線的輻射效率；文獻(xiàn)[6]利用雙倒E型枝節(jié)對(duì)工作在2.45 GHz/5.2 GHz的兩單元單極子 MIMO 天線進(jìn)行解耦，天線雙端口之間的隔離度均小于-30 dB；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一款 MIMO 天線，在PCB板的兩個(gè)相對(duì)角上的單極子天線之間利用中和線加載技術(shù)來(lái)增大天線的隔離度，天線之間的隔離度均低于約-19 dB.

本文提出了一個(gè)具有2個(gè)端口的雙頻帶MIMO天線，單元天線采用印刷單極的形式，工作頻段覆蓋WLAN(2.4～2.48 GHz，5.15～5.35 GHz，5.725～5.825 GHz)頻帶.天線低頻諧振單元為倒F天線，通過(guò)增加短截線，以產(chǎn)生高頻諧振，實(shí)現(xiàn)雙頻工作.通過(guò)在天線接地板中間加一個(gè)懸置的中和線來(lái)降低天線之間的互相耦合，使天線單元之間的相互影響得到了很好地抑制，從而提高天線單元間的隔離度.

1 天線的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的微帶雙頻單極子天線的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示.天線單元印制在FR4介質(zhì)板材質(zhì)上，其相對(duì)介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.02，長(zhǎng)度L=50 mm，寬度W=26 mm,介質(zhì)層厚度h=0.8 mm.底層金屬是單極子天線的部分接地板，長(zhǎng)度與介質(zhì)板的長(zhǎng)度相同，寬度為w0=12 mm.低頻諧振單元為倒F天線(PIFA：Planar Inverted-F Antenna)形式，通過(guò)增加短截線來(lái)產(chǎn)生高頻諧振，實(shí)現(xiàn)雙頻工作.頂層金屬為倒L天線形式為微帶線，采用耦合饋電的方式激勵(lì)激勵(lì).為了實(shí)現(xiàn)多輸入多輸出MIMO通信，第2個(gè)天線單元對(duì)稱分布在另外一側(cè)，形成雙天線布局，兩個(gè)單元天線端口之間的距離為22.5 mm.

表1 天線各部分的尺寸

圖1 二單元MIMO天線結(jié)構(gòu)圖

運(yùn)用HFSS仿真軟件求解分析，我們可以得到天線S參數(shù)的仿真結(jié)果，如圖2所示.從天線的散射參數(shù)可以看出，兩個(gè)工作頻帶范圍分別為2.42～2.53 GHz和4.77～6.10 GHz，相對(duì)帶寬分別達(dá)到了4.4%和24%.當(dāng)天線工作在2.42～2.53 GHz時(shí)，S21<-16.8 dB，當(dāng)天線工作在4.77～6.10 GHz時(shí)，S21可達(dá)到-19.5 dB.直接設(shè)置時(shí)，兩個(gè)天線之間的隔離度沒(méi)有達(dá)到理想情況，強(qiáng)耦合將導(dǎo)致 MIMO 系統(tǒng)的相關(guān)性比較高，因此需要解耦措施提高天線的隔離度.

圖2 二單元天線的S11和S21參數(shù)

2 天線的解耦以及仿真分析

天線陣列中的互耦可以定義為從輻射元件之一到附近的其他輻射元件的能量傳遞,基本上兩個(gè)天線彼此距離越近，相互耦合越高.一個(gè)天線部分能量耦合到達(dá)另一個(gè)天線的端口而不是被輻射，導(dǎo)致天線輻射效率降低.通過(guò)在天線單元間連接一條或幾條直的或者彎折的微帶線進(jìn)行解耦的方法叫做電流中和線解耦法.利用中和線增加一條電流路徑，如果天線直接耦合電流和中和線的電流幅度相同，相位相差180°，就可以相互抵消，從而提高端口之間的隔離度.本文通過(guò)在兩個(gè)單元天線之間增加一個(gè)懸置的中和線，長(zhǎng)度lf=12 mm，寬度wf=0.3 mm，用于改善兩個(gè)單元天線的隔離度，如圖3所示.

圖4 是天線結(jié)構(gòu)加了中和線的仿真S參數(shù)，對(duì)比圖2 與圖4 可以看出，加了中和線以后，低頻段的諧振頻率從2.47 GHz移動(dòng)到2.45 GHz，高頻段的諧振頻率從5.33 GHz移動(dòng)到5.2 GHz，頻率范圍分別為2.39～2.53 GHz和4.57～6.02 GHz，覆蓋了無(wú)線局域網(wǎng)WLAN(2.4～2.484 GHz,5.15～5.25 GHz,5.725～5.825 GHz)頻帶，相對(duì)帶寬分別達(dá)到了5.7%和27.8%，很好地滿足了移動(dòng)通信設(shè)備中WLAN的頻段要求.與圖2 未加中和線的天線的S參數(shù)對(duì)比，天線在低頻的隔離度由之前的16.8 dB優(yōu)化到19.3 dB，提高了約2.5 dB，高頻的隔離度由之前的19.5 dB提高到24.6 dB，提高了約5.1 dB，在整個(gè) WLAN (2.45 GHz/5.2 GHz)工作頻段，天線雙端口之間的隔離度均小于-19 dB.

圖4 加中和線的二單元天線S11和S21參數(shù)

圖5 是MIMO天線的表面電流分布，天線左邊端口1激勵(lì)，右邊端口2接匹配負(fù)載.當(dāng)天線工作在2.45 GHz時(shí)，對(duì)比圖5(a)與圖5(b)可知，加了中和線以后部分電流流向中和線，流向端口2的電流減弱；當(dāng)天線工作在5.2 GHz時(shí)，對(duì)比圖5(c)與圖5(d)可知，加了中和線以后，端口2的電流基本沒(méi)有，所以中和線改善了雙端口的耦合，減弱了兩個(gè)天線單元之間的相關(guān)性.

圖5 MIMO天線的表面電流分布

圖6 展示了天線在2.45 GHz和5.2 GHz時(shí)的二維輻射方向圖，從圖6(a)可以看出，在低頻2.45 GHz 時(shí)，天線在E面方向圖近似為“8”字形，H面的主極化基本為圓形，呈現(xiàn)全向輻射特性，交叉極化很小，增益達(dá)到了3.0 dBi.從圖6(b) 可以看出，天線在高頻5.2 GHz時(shí)，主極化方向圖近似橢圓，基本呈現(xiàn)全向輻射特性，最大增益約為4.37 dBi.雖然天線在高頻 5.2 GHz的輻射方向圖沒(méi)有在低頻時(shí)的方向圖好，天線由于彎折，交叉極化變大，但是仍然趨近于傳統(tǒng)的輻射方向圖，所設(shè)計(jì)的天線具有很好的穩(wěn)定性.

圖6 天線二維輻射方向圖

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種利用中和線技術(shù)來(lái)提高隔離度的雙頻帶MIMO天線，增加了一條懸置的中和線來(lái)改善隔離度，仿真結(jié)果顯示，當(dāng)S11<-10 dB時(shí)，兩個(gè)頻段內(nèi)的帶寬范圍分別為2.39～2.53 GHz 和4.57～6.09 GHz，中心頻率為2.45 G Hz/5.2 GHz，天線在低頻段內(nèi)，S21<-19.3 dB；高頻段內(nèi)，S21<-24.6 dB.利用中和線改善了的天線端口之間的隔離度，很好地滿足了無(wú)線局域網(wǎng)WLAN的頻段要求.