具有雙陷波特性的UWB-MIMO天線

南敬昌 李文佳 高明明，2

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，葫蘆島 125105；2.大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，大連 116026）

引 言

隨著智能家居和家庭數(shù)字娛樂(lè)中心的興起，各種無(wú)線接入技術(shù)得到了迅速的發(fā)展[1].超寬帶(ultra wideband, UWB)通信系統(tǒng)由于其具有高數(shù)據(jù)傳輸速率、低復(fù)雜度、低成本和高精度等優(yōu)勢(shì)引起了研究者的關(guān)注[2].但是，在UWB天線設(shè)計(jì)方面，要實(shí)現(xiàn)良好的天線帶寬、高輻射效率和恒定增益，需要最大程度地減少來(lái)自附近窄帶系統(tǒng)的電磁干擾，同時(shí)還需要解決系統(tǒng)由于信號(hào)反射和衍射所引起的多徑衰落效應(yīng)[3].可行方案為，設(shè)計(jì)具有頻段陷波特性的UWB多輸入多輸出(UWB multiple-input multiple-output,UWB-MIMO)天線[4].文獻(xiàn)[5]通過(guò)刻蝕兩個(gè)開(kāi)口環(huán)諧振器(split ring resonator, SRR)槽，實(shí)現(xiàn)了陷波頻段為5.1～6 GHz 的UWB-MIMO天線，天線尺寸為48 mm×48 mm.文獻(xiàn)[6]通過(guò)在輻射貼片上添加矩形開(kāi)口槽，有效抑制了5.15～5.85 GHz頻段的窄帶特性，天線尺寸為46 mm×46 mm.文獻(xiàn)[7]提出了一款用于移動(dòng)終端的G形UWB-MIMO天線，通過(guò)在正方形單元上方形成G形結(jié)構(gòu)，對(duì)4.4～6.2 GHz頻段進(jìn)行了陷波處理，天線尺寸為50 mm×82 mm.文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種單阻帶UWB-MIMO天線，通過(guò)在天線單元上刻蝕U形凹槽，有效抑制了WiMAX頻段的干擾，天線尺寸為69 mm×38 mm.文獻(xiàn)[9]提出了一種雙極化單平面UWB-MIMO天線，通過(guò)在每個(gè)天線元件上刻蝕一個(gè)U形縫隙來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線局域網(wǎng)(wireless local area networks, WLAN)頻帶上的陷波，天線尺寸為50 mm×45 mm.但是，文獻(xiàn)[5-9]這些天線結(jié)構(gòu)只有一個(gè)陷波頻帶，且都具有較大的尺寸，不夠緊湊，無(wú)法用于便攜式設(shè)備中.因此，設(shè)計(jì)涵蓋整個(gè)工作頻帶的緊湊的多陷波UWB-MIMO天線成為重要的研究方向[10].

通過(guò)使用MIMO技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)天線的分集性能，并減輕多徑衰落的影響[11].但是，減小MIMO天線的尺寸通常會(huì)減小天線的工作帶寬，且天線元件之間的耦合會(huì)變強(qiáng)，如果不采取進(jìn)一步措施，MIMO天線將無(wú)法達(dá)到良好的隔離度和較寬的工作頻帶[12].文獻(xiàn)[13]提出了一種雙頻帶MIMO天線系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)，通過(guò)使用金屬化通孔短路到接地平面的十字形金屬條，以提高隔離度，然后使用高度為2 mm的金屬化墻來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)隔離效果.文獻(xiàn)[14]提出了一種緊湊的多頻帶UWB-MIMO天線，通過(guò)在天線上加載以環(huán)形排列的SRR實(shí)現(xiàn)了天線尺寸和隔離度的良好平衡.文獻(xiàn)[15]提出了一種柵欄式去耦結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高隔離度的UWB-MIMO天線.柵欄型去耦結(jié)構(gòu)主要由許多大小相等的狹縫組成，狹縫相當(dāng)于一個(gè)帶阻濾波器，可以有效地削弱端口之間的耦合度.文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)了一種新型的“ITI”形隔離結(jié)構(gòu)并將其放置在貼片天線之間，可以有效改善天線單元之間的隔離度.但是文獻(xiàn)[13-16]中天線隔離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)比較復(fù)雜，大多數(shù)去耦結(jié)構(gòu)占用的空間依然太大，不適用于小型MIMO天線通信系統(tǒng).

為了解決上述問(wèn)題，本文提出了一種緊湊的雙陷波UWB-MIMO天線.采用改進(jìn)的疊加T型去耦結(jié)構(gòu)有效改善了天線端口之間的隔離度，為了在WLAN頻段(5.15～5.85 GHz)和衛(wèi)星X波段(7.25～7.75 GHz)實(shí)現(xiàn)雙頻段陷波，在天線上刻蝕C型槽和U型槽，通過(guò)改變C型槽和U型槽的尺寸來(lái)調(diào)整阻帶.接地平面中的矩形開(kāi)槽有助于增強(qiáng)天線的較低頻段帶寬，從而擴(kuò)寬天線帶寬.在整個(gè)UWB頻段中，天線單元之間的隔離度均高于15 dB.天線尺寸緊湊(41 mm×25 mm)，比文獻(xiàn)[5-7]中的天線設(shè)計(jì)分別小56%、52%和75%，非常適合集成到便攜式通信設(shè)備中.且提出的天線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造.測(cè)試結(jié)果表明，所提出的天線具有相對(duì)穩(wěn)定的全向輻射方向圖，在工作頻帶上還具有良好的增益和輻射效率，且天線包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(envelope correlation coefficient, ECC)低于0.1.

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的UWB-MIMO天線的幾何形狀如圖1所示，結(jié)構(gòu)尺寸為41 mm×25 mm×1.6 mm.在2.8 GHz時(shí)，兩個(gè)單元中心之間的間距為 0.196λ0.天線采用FR4材質(zhì)作為印制電路板(printed circuit board,PCB)進(jìn)行建模并制作實(shí)物，該P(yáng)CB的介電常數(shù)和損耗角正切分別為4.4和0.02.FR4基板被廣泛用于PCB和天線設(shè)計(jì)，因其價(jià)格低廉在電子市場(chǎng)上很充裕，且其天線可以與其他電子組件集成在一起生產(chǎn).天線的幾何形狀具有兩個(gè)相同的輻射元件，并具有一個(gè)公共接地平面.通過(guò)對(duì)稱放置在基板頂部的兩個(gè)相同的正六邊形輻射貼片以及位于基板底部的矩形接地平面來(lái)實(shí)現(xiàn)UWB，通過(guò)在接地平面開(kāi)矩形槽，可以有效擴(kuò)展天線低頻頻段帶寬.為了實(shí)現(xiàn)阻帶特性，減小對(duì)UWB頻段的干擾，如圖1(a)所示，在輻射器中蝕刻了一個(gè)倒C形槽，以在WLAN頻段上獲得帶阻特性.同時(shí)，為了抑制衛(wèi)星X波段的干擾，在矩形微帶饋線的中部刻蝕了一個(gè)U形槽.為了實(shí)現(xiàn)良好的端口隔離度，在接地板上添加了疊加T型去耦結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示.圖中，W和L分別為介質(zhì)基板的長(zhǎng)和寬；W5為正六邊形輻射貼片的邊長(zhǎng)；L1和W1分別為饋線的長(zhǎng)和寬；L2和W2分別為U型槽的豎邊長(zhǎng)和橫邊長(zhǎng)；L3和W4分別為C型槽的豎邊長(zhǎng)和橫邊長(zhǎng)；W3為C型槽的缺口的長(zhǎng)度；Lg1和Wg1分別為背板矩形槽的長(zhǎng)和寬；Lg5為矩形接地平面的寬；A為兩個(gè)單元中心之間的間距；Lg2和Wg3分別為疊加T型的長(zhǎng)和寬；Lg3和Lg4分別為疊加T型第一個(gè)橫線和第二個(gè)橫線的寬；Wg2為疊加T型豎線的寬.

圖1 UWB-MIMO天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The UWB-MIMO antenna structure

表1給出了UWB-MIMO天線結(jié)構(gòu)的最終優(yōu)化尺寸.

表1 UWB-MIMO天線尺寸Tab.1 Size of the UWB-MIMO antenna mm

1.2 天線的接地板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在便攜式設(shè)備中，MIMO天線安裝有多個(gè)輻射器會(huì)降低分集性能，存在強(qiáng)烈的相互耦合，對(duì)于高性能MIMO天線而言，始終需要低互耦.因此，MIMO設(shè)計(jì)中的主要挑戰(zhàn)是在保持天線尺寸小的同時(shí)減少相互耦合.通過(guò)使用去耦結(jié)構(gòu)可以減少相互耦合，但它在MIMO結(jié)構(gòu)中占據(jù)了較大的空間.在本文提出的設(shè)計(jì)中，使用了一種簡(jiǎn)單的疊加T型去耦結(jié)構(gòu)，可以有效地減少多個(gè)輻射器之間的相互耦合.圖2為所提出天線的接地平面設(shè)計(jì)演進(jìn)過(guò)程.首先，設(shè)計(jì)并仿真了一個(gè)簡(jiǎn)單的未添加去耦結(jié)構(gòu)的天線以獲得預(yù)期的結(jié)果，如圖(a)所示；然后通過(guò)在接地平面中添加T型結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行修改，如圖(b)所示；最后T型結(jié)構(gòu)進(jìn)一步被修改為疊加T型去耦結(jié)構(gòu)以獲得更好的MIMO性能，如圖(c)所示.

圖2 天線接地平面的演化Fig.2 Evolution of the antenna ground plane

圖3為天線接地板未添加T型結(jié)構(gòu)、添加T型結(jié)構(gòu)和添加疊加T型結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的反向傳輸系數(shù)S12.可以看出：當(dāng)天線接地板未添加T型結(jié)構(gòu)時(shí)，天線在整個(gè)UWB范圍內(nèi)的隔離度很差；通過(guò)修改接地平面，在天線接地平面添加T型結(jié)構(gòu)，可減少天線之間的相互耦合，使得中、低頻段的隔離度滿足要求，但高頻頻段的隔離度仍不能滿足MIMO天線的性能要求；當(dāng)在接地板平面上添加疊加T型結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)在整個(gè)頻段范圍內(nèi)天線的S12參數(shù)均小于?15 dB，完全符合UWB-MIMO天線元件之間的隔離度要求.從上述分析可知，通過(guò)使用疊加T型結(jié)構(gòu)充當(dāng)反射器來(lái)分離輻射器之間的輻射，可以有效降低輻射器之間的耦合.

圖3 不同的接地板結(jié)構(gòu)對(duì)S12的影響Fig.3 Influence of different ground plate structures on S12

1.3 天線的陷波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了抑制窄帶系統(tǒng)的干擾，實(shí)現(xiàn)UWB-MIMO天線的雙陷波特性，在天線輻射器和饋線上分別引入C形槽和U形槽，通過(guò)調(diào)整陷波結(jié)構(gòu)的尺寸及其位置來(lái)確定要抑制的頻率范圍.圖4為添加陷波結(jié)構(gòu)前后的輸入回波損耗S11對(duì)比結(jié)果.可以看出，引入陷波結(jié)構(gòu)后天線產(chǎn)生了4.8～5.94 GHz和6.9～8.23 GHz兩個(gè)陷波頻段，有效抑制了WLAN頻段和衛(wèi)星X波段的干擾，同時(shí)天線的最低頻段也得到了擴(kuò)展，最終實(shí)現(xiàn)帶寬為2.8～13.4 GHz.

圖4 天線陷波結(jié)構(gòu)對(duì)S11的影響Fig.4 The influence of antenna notch structure on S11

通過(guò)觀察天線表面的電流分布可以進(jìn)一步了解陷波產(chǎn)生原理以及陷波結(jié)構(gòu)與陷波頻段的對(duì)應(yīng)關(guān)系.圖5為激勵(lì)端口1在3.8 GHz、5.5 GHz、7.5 GHz和11 GHz時(shí)獲得的的天線表面電流分布.可以看出，在一個(gè)端口激勵(lì)的任何頻率點(diǎn)，連接到另一個(gè)端口的元件都具有較低的電流分布集中度，這表明UWBMIMO天線單極子元件之間的隔離性能良好，天線元件陷波結(jié)構(gòu)附近的電流分布更加集中.在陷波頻率5.5 GHz和7.5 GHz處，電流主要集中在C形槽和U形槽周?chē)炀€在這些頻率下不能有效地輻射，從而產(chǎn)生陷波.而在3.8 GHz和11 GHz頻率處，表面電流均勻分布在天線的接地層、輻射器和饋線上，表明天線在整個(gè)通帶頻段上具有良好的UWB性能.從以上分析可知，C形槽和U形槽在陷波的形成中起著重要作用.

圖5 不同陷波頻率處天線表面電流分布Fig.5 The current distribution in antenna surface at different band-notched frequency

為了進(jìn)一步了解C形槽和U形槽對(duì)陷波特性的影響，選擇兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行討論，且更改一個(gè)參數(shù)后，其他參數(shù)保持不變.圖6為U形槽長(zhǎng)度L2對(duì)S11的影響.可以看出：將L2從5.3 mm增加到5.9 mm，第一個(gè)陷波頻段發(fā)生了輕微的變化；第二個(gè)陷波頻段變化比較明顯，中心頻率從8.2 GHz移到7.5 GHz.說(shuō)明U形槽主要影響衛(wèi)星X波段陷波頻率.陷波的中心頻率fnotch可由經(jīng)驗(yàn)式(1)表示：

圖6 L2對(duì)S11的影響Fig.6 Effect of L2 on S11

式中：c為光速；L為U形槽的總長(zhǎng)度；εr為相對(duì)介電常數(shù).

圖7為C形槽長(zhǎng)度L3對(duì)S11的影響.可以看出：L3從4.4 mm增加到4.8 mm，第一個(gè)陷波頻段的中心頻率從6 GHz移到5 GHz；第二個(gè)陷波頻段并沒(méi)有發(fā)生明顯變化.說(shuō)明C形槽主要影響WLAN波段陷波頻率.

圖7 L3對(duì)S11的影響Fig.7 Effect of L3 on S11

由以上分析可知，當(dāng)一個(gè)陷波頻段被調(diào)整時(shí)，其他陷波頻段幾乎不受影響.因此，每個(gè)陷波頻段可以單獨(dú)調(diào)整.

2 實(shí)驗(yàn)仿真與測(cè)量

2.1 S參數(shù)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的UWB-MIMO天線性能，對(duì)天線進(jìn)行實(shí)物制作并測(cè)量.圖8給出了雙陷波UWB-MIMO天線的實(shí)物圖片.

圖8 雙陷波UWB-MIMO天線實(shí)物圖Fig.8 Prototype of the dual band-notched UWB-MIMO antenna

通過(guò)使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)量了天線的S參數(shù)，S11和S12的仿真和測(cè)量結(jié)果如圖9所示.測(cè)量結(jié)果表明，天線具有2.8～13.4 GHz的阻抗帶寬(S11

圖9 仿真和測(cè)量的S參數(shù)Fig.9 S parameters for simulation and measurement

2.2 輻射特性

UWB-MIMO天線在不同頻率下E面和H面上測(cè)得的二維輻射方向圖如圖10所示.可以看出，在低頻頻率4 GHz和中頻頻率6.4 GHz時(shí)表現(xiàn)出良好的輻射特性，在較高頻率12.2 GHz時(shí)輻射方向圖出現(xiàn)了畸變，這是由于高階模導(dǎo)致了輻射波瓣的分裂.仿真和測(cè)量結(jié)果具有良好的一致性.

圖10 天線方向圖Fig.10 The antenna radiation pattern

圖11為天線的峰值增益和輻射效率.可以看出：除陷波頻帶外的整個(gè)頻帶上測(cè)得的增益為2～6 dBi，陷波頻帶內(nèi)增益分別降至?3 dBi和?3.8 dBi；天線的輻射效率和增益具有相同的變化趨勢(shì)；除陷波頻段外，所有UWB頻譜的效率均保持在80%以上.

圖11 峰值增益與天線效率Fig.11 The peak gain and radiation efficiency

2.3 分集性能

分集性能是MIMO天線的重要特性，兩端口MIMO天線的分集性能可以通過(guò)ECC和分集增益(diversity gain, DG)進(jìn)行評(píng)估.ECC用于測(cè)量天線元件之間的相關(guān)性，為了在MIMO天線元件之間實(shí)現(xiàn)更高的分集，MIMO天線元件必須滿足ECC<0.5的標(biāo)準(zhǔn)[17].對(duì)于兩端口MIMO天線，可以使用公式(3)來(lái)計(jì)算ECC，公式(4)計(jì)算DG.

天線的ECC和DG如圖12所示.可以看出：除了陷波頻帶以外，整個(gè)通帶帶寬范圍內(nèi)的ECC都非常小(<0.025)；盡管ECC受這些陷波結(jié)構(gòu)的影響，但在整個(gè)阻抗帶寬上都小于0.1，所獲得的ECC值較低，滿足ECC<0.5的標(biāo)準(zhǔn)，從而在多徑環(huán)境中產(chǎn)生較低的信號(hào)相關(guān)性；此外，天線的DG在整個(gè)阻抗帶寬上都大于9.9 dB.結(jié)果表明，所提出的天線具有較小的ECC和較大的DG.因此，所提出的天線系統(tǒng)在整個(gè)工作頻帶上顯示出良好的MIMO性能.

圖12 天線的ECC和DGFig.12 Antenna envelope correlation coefficient and diversity gain

表2中列出了本文設(shè)計(jì)的雙陷波UWB-MIMO天線與參考文獻(xiàn)中天線的對(duì)比.從表2可以看出：與參考文獻(xiàn)[6]、[7]相比，本文設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)更加緊湊、陷波結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、陷波頻段更多；與參考文獻(xiàn)[18]和[19]相比，在隔離度相同的情況下，本文實(shí)現(xiàn)了雙陷波的特性、尺寸更小、帶寬更寬；與文獻(xiàn)[20]和[21]相比，本文設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)更加緊湊；與文獻(xiàn)[22]相比，本文設(shè)計(jì)的天線不僅結(jié)構(gòu)尺寸更加緊湊，而且隔離度更好.因此，從前面的討論中可以清楚地看出，本文所提出的天線滿足UWB-MIMO天線的隔離度要求.與表2所示的現(xiàn)有設(shè)計(jì)相比，本文設(shè)計(jì)的天線在尺寸和陷波頻率方面都更好.但與參考文獻(xiàn)[6]、[15]和[18]相比，本文的隔離度還有待提高.

表2 本文設(shè)計(jì)天線與文獻(xiàn)中天線對(duì)比Tab.2 Comparison of antennas in references and this paper

3 結(jié) 論

本文提出了一種具有雙頻陷波特性的緊湊型UWB-MIMO天線.設(shè)計(jì)的天線可實(shí)現(xiàn)2.8～13.4 GHz的阻抗帶寬，天線在4.8～5.94 GHz和6.9～8.23 GHz頻段具有陷波特性以抑制WLAN頻段和衛(wèi)星X波段的干擾.通過(guò)在接地平面中使用簡(jiǎn)單的疊加T型結(jié)構(gòu)，可改善端口隔離度，隔離度高于15 dB.并對(duì)天線的分集性能進(jìn)行了研究.仿真和測(cè)試結(jié)果表明，該天線具有良好的輻射特性，穩(wěn)定的增益和非常低的ECC.說(shuō)明該天線結(jié)構(gòu)緊湊，具有良好的MIMO性能，且易于設(shè)計(jì)和制造，可用于無(wú)線通信系統(tǒng)中.