一種高隔離度的微帶雙頻MIMO天線設(shè)計(jì)

陳曉鋒，周殊倫，文蓓怡，曹 捷，韓如冰

(1.上海無線電設(shè)備研究所，上海 201109；2.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

天線作為無線通信系統(tǒng)射頻前端的重要組件，其性能對(duì)系統(tǒng)通信能力有決定性的影響。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的進(jìn)步，天線的設(shè)計(jì)面臨著越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。首先，通信系統(tǒng)的集成度日益提高，天線可以利用的空間被不斷壓縮；其次，為了滿足多頻段、高增益、高輻射效率的通信需求，天線個(gè)數(shù)不斷增多，導(dǎo)致不同天線之間的互耦增大，天線方向圖惡化，信道容量降低。將MIMO天線應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)，通過多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，可以在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的前提下，成倍提高系統(tǒng)信道容量，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

微帶天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剖面低、尺寸小、電性能多樣化等優(yōu)點(diǎn)，而且成本低、易于集成，適合批量生產(chǎn)。隨著微帶技術(shù)的日益成熟及現(xiàn)代通信中頻段的日益擁擠，人們逐漸把研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向頻率較高的厘米波、毫米波甚至太赫茲頻段。將微帶MIMO天線應(yīng)用于通信設(shè)備中，是未來實(shí)現(xiàn)天線小型化、多功能的一個(gè)可行方案。

近年來，國內(nèi)外大量學(xué)者將MIMO天線領(lǐng)域的研究重心放在了降低天線單元之間的互耦上。MIMO天線間的互耦主要是受地板表面電流的影響，降低MIMO天線單元間互耦的方法很多。文獻(xiàn)[1]引入緊湊平面螺旋線，文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]采用中和線的方式，文獻(xiàn)[4]在超寬帶MIMO天線間引入T型枝節(jié)結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[5]引入雙倒E型枝節(jié)結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[6]采用在地板上添加地縫的方式。另一個(gè)重點(diǎn)研究方向?yàn)槎囝lMIMO天線。通過單個(gè)天線或天線陣就可實(shí)現(xiàn)天線在多個(gè)頻段工作，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單天線單頻工作模式。文獻(xiàn)[7]～文獻(xiàn)[10]對(duì)雙頻或者多頻MIMO天線進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。

1 天線設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一款雙頻帶MIMO天線。該天線單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由正面彎折的單極子和背面產(chǎn)生低頻諧振的彎折金屬線組成，利用將單極子天線彎折的方法節(jié)約了空間。在5 GHz高頻段，正面的單極子天線為主要輻射體，背面的金屬線可以看作是MIMO單元之間的隔離結(jié)構(gòu)。在2.4 GHz低頻段，背面的金屬線通過正面單極子天線的耦合饋電來輻射能量，此時(shí)可以將雙頻帶的降耦問題簡(jiǎn)化成低頻段的降耦問題，降低了MIMO天線的設(shè)計(jì)難度。

1.1 雙頻MIMO天線設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的天線基板材料均為FR4，其相對(duì)介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.01，厚度為0.8 mm，介質(zhì)板為邊長(zhǎng)20 mm的正方形。高頻段5 GHz天線單元為彎折型單極子，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。彎折型單極子由傳統(tǒng)的直線單極子演變而來，其有效的電長(zhǎng)度約為1/4工作波長(zhǎng)。相比于直線單極子，此結(jié)構(gòu)不僅降低了天線高度、節(jié)省了空間，而且能使天線能量更好地耦合到背面的低頻輻射結(jié)構(gòu)上。使用全波電磁仿真軟件CST對(duì)天線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定天線結(jié)構(gòu)參數(shù)為:L1=10.5 mm，L2=12 mm，L3=5 mm，L4=9 mm，L5=5 mm，L6=8 mm，L7=3 mm，W1=1.5 mm，W2=1 mm。

圖1 單頻天線結(jié)構(gòu)示意圖

在單頻天線單元反面加入彎折型枝節(jié)，通過正面單極子耦合饋電，實(shí)現(xiàn)在2.4 GHz的信號(hào)輻射，即構(gòu)成雙頻天線，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。經(jīng)過仿真優(yōu)化后得到彎折型枝節(jié)的結(jié)構(gòu)尺寸:L8=10 mm，L9=13 mm，L10=3 mm，W3=1 mm。

圖2 雙頻天線結(jié)構(gòu)示意圖

將兩個(gè)相同的雙頻天線集成為一個(gè)雙單元MIMO天線，如圖3所示。反面的彎折型金屬不僅是2.4 GHz頻段的輻射體，同樣也是天線在其他頻段的隔離結(jié)構(gòu)，可以有效地減弱由近場(chǎng)輻射電場(chǎng)引起的互耦。

圖3 MIMO天線結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 開槽降耦設(shè)計(jì)

MIMO天線反面的彎折型金屬結(jié)構(gòu)可以隔離高頻段的兩個(gè)端口互耦，但是不能隔離低頻段的互耦，天線隔離度無法滿足使用要求。對(duì)MIMO天線電流分布進(jìn)行分析，電流分布如圖4所示。在2.4 GHz狀態(tài)下，當(dāng)右側(cè)端口1饋電時(shí)，電流通過地板流至左側(cè)背面彎折型金屬上，使左側(cè)彎折金屬也產(chǎn)生輻射，同時(shí)也有電流流至左側(cè)端口2。

圖4 MIMO天線電流分布圖

利用在地板上開槽的方法來阻斷電流通過地板，天線結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中，L11=2 mm，L12=3 mm。

圖5 增加開槽MIMO天線結(jié)構(gòu)圖

增加開槽后，天線的電流分布如圖6所示。通過地板從端口1流至端口2的電流有所減小，但是仍會(huì)通過兩個(gè)天線單元背面的彎折型金屬產(chǎn)生互相耦合，隔離度仍不滿足設(shè)計(jì)需求。

圖6 增加開槽MIMO天線電流分布圖

1.3 懸置金屬線降耦設(shè)計(jì)

在兩條彎折金屬之間添加一條懸置金屬線，引入新的耦合去抵消初始耦合，如圖7所示。其中，L13=6 mm，L14=5 mm，W4=1 mm。與 傳統(tǒng)的中和線不同，該天線中的金屬線并沒有直接連接天線單元，且與天線的饋電線垂直，對(duì)天線本身的匹配影響較小。

圖7 再增加懸置金屬線MIMO天線結(jié)構(gòu)圖

增加懸置金屬線后的MIMO天線電流分布見圖8。可以發(fā)現(xiàn)引入反面的懸置金屬線后，兩個(gè)端口之間的互耦明顯地減少了。

圖8 再增加懸置金屬線MIMO天線2.4 GHz電流分布圖

2 仿真結(jié)果

2.1 回波損耗

單頻天線和雙頻天線的輸入回波損耗仿真結(jié)果如圖9所示。沒有背面耦合結(jié)構(gòu)的單頻天線只在(4.81～5.30)GHz(相對(duì)帶寬9.8%)頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配，中心頻率為5 GHz。而在背面地板上加入彎折型輻射結(jié)構(gòu)的雙頻天線，其彎折型輻射結(jié)構(gòu)從正面單極子處耦合到能量并產(chǎn)生輻射，天線在(2.37～2.43)GHz(相對(duì)帶寬2.5%)頻帶內(nèi)也實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配，中心頻率為2.4 GHz。

圖9 天線輸入回波損耗S11仿真結(jié)果

2.2 隔離度

本文設(shè)計(jì)的MIMO天線的S參數(shù)(S11、S12)仿真結(jié)果如圖10～圖12所示。由圖10可知，未采取降耦措施的MIMO天線的隔離度S12在5 GHz頻段范圍內(nèi)小于-17.5 dB，在2.4 GHz頻段范圍內(nèi)僅不大于-7.3 dB，2.4 GHz頻段內(nèi)性能不滿足工作要求。而圖11中開槽后的MIMO天線的低頻隔離度僅僅從-7.3 dB增大到了-10.5 dB左右。圖12中懸置金屬線后MIMO天線的低頻隔離度增大到了-20 dB左右，同時(shí)也沒有對(duì)S11產(chǎn)生大的影響。因此，采用開槽和懸置金屬線來減小互耦的方法是有效的。

圖10 未采取降耦措施的MIMO天線S參數(shù)仿真結(jié)果

圖11 增加開槽的MIMO天線S參數(shù)仿真結(jié)果

圖12 再增加懸置金屬線的MIMO天線S參數(shù)仿真結(jié)果

2.3 方向圖

圖13為采取降耦措施后MIMO天線方向圖的仿真結(jié)果?？芍炀€在2.4 GHz和5 GHz處的最大增益分別為2.04 dBi和2.54 d Bi，且不圓度均小于3 dB，同時(shí)yoz面的交叉極化也較小。

圖13 采取降耦措施后MIMO天線方向圖

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款工作在2.4 GHz和5 GHz頻段的高隔離度雙頻帶MIMO天線。天線由兩個(gè)相同的單元組成，主輻射體為彎折的單極子天線，主要產(chǎn)生高頻輻射，反面引入的彎折金屬線通過耦合能量產(chǎn)生低頻輻射。同時(shí)利用在地板開槽和背面懸置金屬線的方法，成功增大了MIMO天線單元之間的隔離度。仿真結(jié)果表明，該天線工作帶寬、隔離度、增益、不圓度等參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。本文提出的天線單元間降耦方法對(duì)MIMO天線的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。