一種基于椎體振子的寬帶MIMO天線設(shè)計

康志杰，馬鐵軍

(河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊 050200)

0 引言

隨著軌道交通中車地間通信業(yè)務(wù)量的不斷增加，現(xiàn)有的公網(wǎng)4G網(wǎng)絡(luò)已無法承載大量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的高速傳輸，為了給司乘人員提供更加優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定的無線接入服務(wù)，進(jìn)一步提升地鐵列車乘坐期間的互聯(lián)網(wǎng)使用體驗(yàn)，同時也為了達(dá)成智慧城軌的建設(shè)目標(biāo)，推出一款可以同時兼容4G、5G兩種通信制式的列車車載式寬頻段MIMO天線已迫在眉睫。

天線作為無線通信系統(tǒng)中非常重要的一環(huán)，起到收發(fā)電磁波信號的作用，其性能指標(biāo)的好壞會直接影響到整個系統(tǒng)的通信品質(zhì)。因此，對于如何讓天線保持寬工作頻帶的同時，還兼具小型化、高隔離度、低回波損耗等特點(diǎn)，成為許多國內(nèi)外工作人員研究的重點(diǎn)。目前，地鐵列車中的車地通信天線普遍采用魚鰭天線的形式，該類天線具備高增益、小型化、低風(fēng)阻等優(yōu)點(diǎn)，但是其缺點(diǎn)也不容忽視，比如工作帶寬窄、增益不夠高、端口隔離度差、高頻主波束方向容易發(fā)生偏移等。

本文提出了一種采用錐體振子為基本輻射單元的寬帶MIMO天線，通過對錐體振子結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和增加金屬隔離銅片的方式[1-5]，實(shí)現(xiàn)天線工作頻段的拓展和振子間隔離度的提升，更好地滿足軌道交通車地間的通信需求。

1 椎體振子結(jié)構(gòu)設(shè)計

普通的單錐體天線由無限雙錐天線依據(jù)鏡像原理演變而來，可以在較小物理尺寸下實(shí)現(xiàn)一定的寬帶性能。通過使用連續(xù)阻性加載[6-10]的方法，吸收因天線輻射體末端阻抗不匹配產(chǎn)生的反射波，提高天線的行波特性，降低阻抗失配造成的影響，可以進(jìn)一步拓展天線的工作帶寬。

本文在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地采用半圓形椎體[11-15]振子結(jié)構(gòu)，同時在振子天線的饋電端增加了阻抗匹配轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)[16-18]，實(shí)現(xiàn)椎體輻射面的平滑過渡，降低因結(jié)構(gòu)不連續(xù)性導(dǎo)致的電磁波反射，使得天線的寬帶性能進(jìn)一步得到提升。同時，針對半圓形椎體振子本身回波損耗較高的問題，采用在椎體振子半圓形弧面和金屬地之間增加金屬接地柱的方法，提升椎體振子天線的感抗、抵消容抗，降低振子的回波損耗，椎體振子天線的三維結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 椎體振子的三維結(jié)構(gòu)模型Fig.1 3D model of conical element

椎體振子的外形結(jié)構(gòu)如圖2所示，各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)初始值設(shè)定如表1所示。其中：d1為天線饋電內(nèi)芯直徑，d2為阻抗匹配轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)下端口直徑，d3為天線介質(zhì)層與阻抗匹配轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)下端口半徑差值，d4為阻抗匹配轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)上端口與天線介質(zhì)層半徑差值，d5為半圓形金屬輻射體內(nèi)壁與阻抗匹配轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)上端口半徑差值，d6為金屬輻射體內(nèi)外半徑差值，d7為金屬輻射體上邊沿寬度，d8為金屬接地柱直徑，d9為金屬輻射體圓心與金屬接地柱圓心的距離。h1為金屬輻射體上邊沿厚度，h2為天線饋電內(nèi)芯高度，h3為金屬輻射體上沿與金屬地的距離。

(a) 椎體振子水平視圖

表1 椎體振子的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structure parameters of conical element 單位：mm

2 椎體振子的仿真分析

使用Ansoft HFSS對椎體振子的回波損耗性能進(jìn)行仿真分析(仿真所用底板尺寸為336 mm×336 mm)，結(jié)果如圖3所示。仿真結(jié)果表明，在椎體振子半圓形弧面和金屬地之間添加金屬接地柱后，其回波損耗性能在0.7～4 GHz的仿真頻段內(nèi)普遍得到了優(yōu)化，其中回?fù)軗p耗低于-10 dB的帶寬占比96%、低于-15 dB的帶寬占比84%、低于-20 dB的帶寬占比71%。尤其是在0.8～1 GHz的頻率范圍內(nèi)，回波損耗由原來的-2～-6 dB降低為-10～-25 dB，有效提高了椎體振子在Band5(824～894 MHz)和Band8(880～960 MHz)這2個低段4G頻點(diǎn)的輻射性能。

圖3 椎體振子的回波損耗Fig.3 Return loss of conical element

為了進(jìn)一步對椎體振子天線的性能進(jìn)行分析和優(yōu)化，接下來利用Ansoft HFSS的變量掃描分析功能，以d8、d9兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)作為變量，研究分析其對椎體振子天線回波損耗性能的影響。

2.1 金屬接地柱直徑d8對振子性能的影響

保持椎體振子天線各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，將金屬接地柱的直徑d8作為變量，對d8分別為4,6,8,10 mm時，椎體振子天線的回?fù)軗p耗性能，進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明,隨著金屬接地柱直徑的變小，椎體振子的回?fù)軗p耗也可以得到有效降低，當(dāng)d8=4 mm時，回波損耗最低可達(dá)-27 dB。但是相對于6 mm，d8=4 mm時對回?fù)軗p耗的改善已經(jīng)非常微小，且在0.9～1.2 GHz、3.4～4 GHz兩個頻段出現(xiàn)性能指標(biāo)惡化?？紤]到金屬接地柱直徑太小會導(dǎo)致加工難度增大、不同振子的性能一致性變差等因素，采用d8=6 mm作為最終的金屬接地柱直徑，相比于d8=10 mm，天線的回?fù)軗p耗可以得到非常顯著的改善。椎體振子天線回波損耗與d8的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 回?fù)軗p耗與d8的關(guān)系Fig.4 Relationship between return loss and d8

2.2 圓心間距d9對椎體振子性能的影響

根據(jù)2.1節(jié)的仿真結(jié)果，將金屬接地柱的直徑d8設(shè)置為6 mm，同時保持其余的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)不變。利用Ansoft HFSS的變量掃描功能，對金屬輻射體圓心與金屬接地柱圓心的間距d9分別為15，18，21 mm時，椎體振子天線回?fù)軗p耗性能的變化，進(jìn)行進(jìn)一步的仿真分析。仿真結(jié)果表明，隨著輻射體圓心與接地柱圓心間距的不斷變大，回?fù)軗p耗也可以得到有效的降低，相比于15 mm，d9=21 mm時回?fù)軗p耗可以有效改善3～13 dB。因此，采用可允許的最大間距d9=21 mm作為最終的圓心間距。回?fù)軗p耗與d9的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 回?fù)軗p耗與d9的關(guān)系Fig.5 Relationship between return loss and d9

2.3 椎體振子天線的方向圖

為了進(jìn)一步分析天線的方向性，為后續(xù)工程應(yīng)用提供可參考的數(shù)據(jù)支撐，根據(jù)2.1節(jié)和2.2節(jié)的仿真結(jié)果，依據(jù)移動、聯(lián)通、電信三大運(yùn)營商現(xiàn)階段常用的4G和5G頻點(diǎn)信息，在0.7～4 GHz的工作頻段內(nèi)，選取4個主要頻點(diǎn)，對椎體振子天線在這些頻點(diǎn)的方向圖進(jìn)行仿真分析，所選取的主要頻點(diǎn)信息如下：0.88 GHz(對應(yīng)LTE-Band5和Band8頻段)、1.9 GHz(對應(yīng)LTE-Band3和Band39頻段)、2.6 GHz(對應(yīng)LTE-Band38和Band41、5G-N41頻段)和3.5 GHz(5G-N78頻段)。利用Ansoft HFSS的方向圖繪制功能，對椎體振子天線在x-z平面、y-z平面的二維輻射方向圖進(jìn)行仿真，分析天線在上述4個頻點(diǎn)的方向圖情況，其仿真結(jié)果如圖6所示。

仿真結(jié)果顯示，由于采用了單側(cè)添加金屬接地柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，導(dǎo)致椎體振子天線x-z平面的方向圖呈現(xiàn)出不對稱的形狀，因此在實(shí)際的工程應(yīng)用中，應(yīng)將天線高增益的一側(cè)朝向地鐵軌旁的公網(wǎng)漏纜方向，以便獲取更好的通信性能。同時，通過仿真結(jié)果可以明顯看到，隨著工作頻率的提高，椎體振子天線的增益呈現(xiàn)出逐漸變大的趨勢，天線整體增益保持在4.6～8 dBi的范圍內(nèi)，其中，0.88 GHz頻點(diǎn)的最大增益為4.7 dBi，1.9 GHz頻點(diǎn)的最大增益為6.6 dBi，2.6 GHz的最大增益為7 dBi,3.5 GHz的最大增益為7.9 dBi。

(a) 天線在0.88 GHz的方向圖

3 天線設(shè)計與仿真

本文所設(shè)計的寬頻帶MIMO天線由4個第2節(jié)所述的椎體振子天線組合而成。為了進(jìn)一步提高天線的工作性能，采用在椎體振子之間增加金屬隔離銅片的方法，可以有效提高寬帶MIMO天線端口間的隔離度。

寬帶MIMO天線結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖7所示，天線整體呈現(xiàn)中心對稱結(jié)構(gòu)，其中天線基板為336 mm×336 mm×3 mm的FR4板材，椎體振子分布在天線基板的4個邊角，相鄰振子的中心間距為240 mm，振子間3個隔離銅片的長度分別為20,60,20 mm，隔離銅片間距為20 mm，天線可實(shí)現(xiàn)4通道的MIMO效果。天線端口間隔離度的仿真結(jié)果如圖8所示。仿真結(jié)果顯示，增加金屬隔離銅片后，寬帶MIMO天線相鄰端口間的隔離度在整個頻帶內(nèi)(0.7～4 GHz)可以得到顯著的改善，改善程度在10 dB以上的帶寬占比可達(dá)50%以上。

圖7 MIMO天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.7 Structural parameters of MIMO antenna

圖8 MIMO天線端口隔離度Fig.8 Port isolation of MIMO antenna

4 天線隔離度測試

對加工后的天線進(jìn)行相鄰端口間隔離度測試，并將實(shí)測值與仿真值進(jìn)行對比，結(jié)果如圖9所示?？梢钥吹?，端口隔離度的實(shí)測值與仿真值整體變化趨勢相同，由于加工工藝、焊接工藝、材料質(zhì)量等方面的原因，實(shí)測值和仿真值有所差別，但與不加金屬隔離銅片相比，仍有明顯提升。

圖9 天線端口隔離度實(shí)測結(jié)果Fig.9 Test results of antenna port isolation

5 結(jié)束語

本文對傳統(tǒng)意義上的單錐天線進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新與改進(jìn)，通過使用連續(xù)性漸變轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，拓展椎體振子的工作帶寬，通過在振子半圓形弧面和金屬地之間增加金屬接地柱，有效降低椎體振子的回波損耗。通過Ansoft HFSS對關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行掃描分析，得出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，提升了單一椎體振子的工作帶寬、回波損耗等性能參數(shù)?；诟纳坪蟮淖刁w振子，設(shè)計了一款4通道寬帶線極化MIMO天線，該天線工作于0.7～4 GHz，可覆蓋現(xiàn)階移動、聯(lián)通、電信主要的4G和5G頻點(diǎn)，同時可以有效解決運(yùn)營商在2G退網(wǎng)后，將現(xiàn)有2G頻點(diǎn)用作4G，導(dǎo)致車載天線無法在新4G頻點(diǎn)中使用的問題，在軌道交通和其他有大量公網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸需求的行業(yè)中，具有非常良好的應(yīng)用前景。