基于圓孔超表面材料的MIMO天線互耦縮減

安永麗,白軍影

(華北理工大學 人工智能學院，河北 唐山 063210)

0引言

隨著國民經濟的飛速發(fā)展和科學技術水平的不斷提高，通信技術發(fā)展迅速。5G通信技術使得信息傳輸速度得到了有效提升。移動通信的需求越來越趨向于更大容量，更高傳輸速率和更好的服務質量。隨著5G通信技術進一步的擴展，無線終端天線的發(fā)展越來越趨向于寬頻帶，多頻帶和更高的性能。采用多輸入多輸出(MIMO)的技術能夠提高信道容量和信道傳輸的可靠。

為了提高天線單元之間的隔離度，研究人員采用了大量的相關技術，如采用超材料結構來提高其天線單元之間的隔離度。采用陣列形式的MIMO天線，由于其天線單元相距很近，所以會產生較強的耦合，耦合電流會直接影響天線的輻射特性[1]。在小尺寸移動通訊設備中，由于受限于整機的尺寸，往往無法提供足夠大的間距來減弱天線之間的耦合。因此，如何盡可能多地在有限的空間內放置具有較高隔離度的MIMO陣列天線成為迫切需要解決的問題。而對超材料MIMO天線進行耦合縮減可以有效地提高天線單元的隔離度。

增益表示在相同的輸入功率下，實際天線和理想的輻射單元在同一點處產生的信號密度之比。增益可以表示輸入功率集中輻射程度。增益和天線的方向圖之間有很大的聯系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，則增益越高[2]。天線增益是衡量天線最重要的參數之一，它對通信系統的運行質量非常重要，提高天線增益，可以增大某個方向上的信號輻射范圍，或者在范圍不變的情況下，在該范圍內大大提高信號強度。增加天線增益可以減少雙向系統增益預算余量。當某種輻射源向空間發(fā)射能量的時候，在理想情況下，能量會按照球狀體散射開來，通過實踐和研究我們發(fā)現，如果這種能量朝著一個方向集中發(fā)射，則能量所到達的距離及該方向輻射的范圍都會大大提高。把這種研究和發(fā)現應用到無線通信系統中，天線增益可以定量的描述天線把輸入功率(能量)集中輻射的程度，從通信的角度我們可以這樣理解為在某個方向和范圍內產生信號的能力大小[3-6]。

1超材料

超材料是一種人工復合材料，可以通過周期型的金屬及介質排布實現。超材料異于傳統材料的新穎特性，使其備受關注。在天線、微波電路、雷達、吸波材料和隱身斗篷等領域有很大的應用[7]。

超材料是一種具有負的介電常數和磁導率的人工材料。相比于傳統的右手材料，左手材料能提供一些比較奇特的電磁特性。在進行天線的設計過程中，通過加載超材料結構可以大大提高天線的性能指標。會對天線增益、工作帶寬、提高輻射效率、降低諧振頻率、減少天線尺寸等方面都有很大的改善作用。因此將超材料結構應用在天線設計中成為當前的研究熱點。在有限的空間內加載超材料可以大大提高天線的隔離度。

2圓孔超表面結構單元設計

圓孔超表面結構單元平面圖如圖1所示，調整其結構尺寸，使其工作在2.45 GHz的頻率下，在20 mm×20 mm×1 mm的聚四氟乙烯介質基板上介電常數(r=4.6)損耗正切值( tanδ=0.019)上蝕刻超材料單元，其具體仿真模型圖如圖2所示。

圖1 圓孔超表面結構的平面圖 圖2 圓孔超表面結構的仿真模型圖

天線之間的耦合情況和仿真的S參數有關。假設電磁波沿x軸方向入射，磁場沿y軸方向，電場沿z軸方向。該模型能夠沿x方向對均勻平面波照射中的超材料的S參數進行有效仿真，再利用參數反演技術，可以得到傳輸特性與S參數有關。s11表示反射系數，s21表示傳輸系數，s21與系數T之間的關系如下式(1)所示。

s21=Teik0d

(1)

其中：k0表示自由空間的入射波波束，d表示介質板的厚度(mm),R01表示與阻抗相關的式子。反射系數s11與折射率n和阻抗z之間的關系如下式(2)所示。

(2)

s21與折射率n和阻抗z之間的關系可以用式(3)、式(4)表示。

(3)

(4)

聯立公式(1)～(4)可以推導得出式(5)、式(6)。

(5)

(6)

該項目研究的超材料是一種被動介質，需要滿足以下條件：

Re(z)≥0

(7)

Im(n)≥0

(8)

其中：Re(z)表示阻抗的實部；Im(n)表示磁導率的虛部。

結合以上關系式，推導得出折射率n的關系式如式(9)所示。

(9)

通過式(1)～式(9)得到影響超材料性能的2個重要因素s11和s21。圖3所示為圓孔超表面材料單元仿真的s21圖形?？梢缘贸?，頻率在2.45 GHz的情況下，超材料的磁導率為負值，說明圓孔超表面結構具有超材料特性。

圖3 圓孔超表面仿真s21參數圖形

3加載圓孔超表面結構單元

將圓孔超表面結構單元加載在2個偶極子天線之間，工作頻率為2.45 GHz，采用尺寸為80 mm×160 mm×1mm的聚四氟乙烯介質基板(r=4.6)，在介質基板上蝕刻圓孔超表面結構單元。通過調整其結構尺寸，使其工作2.45 GHz的頻率下。整體的平面圖和模型仿真結果如圖4所示。

圖4 圓孔超表面結構單元圖

通過仿真可以得到圓孔超表面加載在2個偶極子天線之間的 參數圖形，s11和s22表示波不通過傳輸線，直接在天線饋電處對天線進行激勵，在仿真軟件中，一般天線饋電處采用端口激勵，此處認為端口已匹配好；若在該端口監(jiān)測到反射波，那么這個反射波也不是由于該端口處沒有匹配好造成的，而是由于在波傳播方向上天線阻抗不匹配以及環(huán)境的反射所致。

s11或s22屬于 參數指標，表示回波損耗特性，一般通過網絡分析儀來看其損耗的dB值和阻抗特性。此參數表示天線的發(fā)射效率，參數值越大，表示天線本身反射回來的能量越大，這樣天線的效率就越差。圖5所示為加載圓孔超表面結構單元的s11和s22參數圖形，圖6所示為加載圓孔超表面結構單元的s21參數圖形。

圖5 加載圓孔超表面結構單元的s11和s22參數圖形

圖6 加載圓孔超表面結構單元的s21參數圖形

通過圖5、圖6仿真操作可以看出，工作頻率在2.45 GHz上，s11和s22損耗分別為22.48 dB和22.45 dB。此時圓孔超表面結構加載在偶極子天線上隔離度為24.72 dB。

4未加載圓孔超表面結構單元

工作頻率保持2.45 GHz不變，在尺寸為20 mm×20 mm×1 mm的聚四氟乙烯介質基板(r=4.6)上放置偶極子天線，平面圖和仿真模型圖如圖7、圖8所示。

圖7 偶極子天線平面圖 圖8 偶極子天線模型仿真圖

通過仿真可以得到偶極子天線的 參數，如圖9、圖10所示。在頻率為2.45 GHz的情況下，s11和s22損耗分別為36 dB和36.05 dB。此時偶極子天線上隔離度為16.17 dB。

圖9 偶極子天線仿真s11和s22參數圖形 圖10 偶極子天線仿真s21參數圖形

5 天線增益

將加載圓孔超表面的偶極子天線與未加載超材料的偶極子天線的三維增益方向圖進行對比，如圖11和圖12所示。

圖11 加載圓孔超表面的偶極子天線三維增益圖 圖12 未加載超材料的偶極子天線三維增益圖

通過加載超材料和不加載超材料的偶極子天線之間的三維增益方向圖做對比可以看出，加載超材料的偶極子天線能量輻射比較集中，起到了很好的天線隔離的效果，在某個特定方向上和范圍內產生信號的能力比較強；而未加載超材料的偶極子天線的三維增益方向圖的能量分布比較分散，傳輸和產生信號的能力相對比較弱。

6 結論

(1)加載超材料天線的隔離度與未加載超材料結構的MIMO天線隔離度相比提高了8.55 dB。

(2)加載圓孔超表面結構的偶極子天線能量輻射比較集中，在某個特定方向上和范圍內產生信號的能力比較強，實現了更好地提高天線隔離度的目的。