一種小型化雙陷波超寬帶MIMO 縫隙天線設(shè)計(jì)

蘇勇銘,黃玉蘭,呂梅

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院,陜西 西安 710121)

隨著無線通信技術(shù)的不斷進(jìn)步,人們對(duì)無線通信系統(tǒng)的傳輸速率、信道容量以及通信質(zhì)量的要求越來越高,傳統(tǒng)單天線系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足通信需求,因此用復(fù)用和分集增益來提高無線系統(tǒng)容量和鏈路質(zhì)量的多輸入多輸出(MIMO)天線技術(shù)逐漸成為無線通信發(fā)展的重要內(nèi)容[1-3]。與此同時(shí),為更好地發(fā)揮出MIMO天線技術(shù)的優(yōu)勢,將MIMO 技術(shù)與超寬帶技術(shù)相結(jié)合,不僅可以提高數(shù)據(jù)傳輸效率、抑制多徑效應(yīng),而且通信質(zhì)量和容量也會(huì)有很大的提升[4-5]。

近年來,隨著系統(tǒng)的集成度越來越高,這就要求設(shè)計(jì)的天線尺寸越來越小,但尺寸減小勢必會(huì)使各輻射單元的間距過近,耦合效應(yīng)增強(qiáng),單元獨(dú)立性降低,進(jìn)而對(duì)整個(gè)天線的收發(fā)性能造成嚴(yán)重影響。同時(shí),超寬帶頻段內(nèi)存在著如WLAN(5.15～5.825 GHz)和X上行頻段(7.9～8.4 GHz)等窄帶頻段的干擾,對(duì)窄帶頻段的阻斷研究也已迫在眉睫。因此,設(shè)計(jì)出兼顧小型化、高隔離度指標(biāo)且能濾除窄帶干擾的超寬帶(UWB) MIMO 天線具有十分重要的意義。當(dāng)前天線小型化技術(shù)有開槽[6]、彎折[7]和分形技術(shù)[8]等,提升隔離度的方法有引入中和線[9]、去耦合網(wǎng)絡(luò)[10]、添加地板枝節(jié)及缺陷地結(jié)構(gòu)[11-12]等。文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)了一種共面波導(dǎo)饋電的MIMO 天線,天線單元正交放置以實(shí)現(xiàn)模式分集,在不使用任何解耦結(jié)構(gòu)的情況下增強(qiáng)單元間的隔離;文獻(xiàn)[14]提出一種F 型枝節(jié)隔離結(jié)構(gòu),去耦效果顯著,隔離度達(dá)到-20 dB,但存在尺寸較大的問題;文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了一款尺寸為26 mm×26 mm的小型化UWB MIMO 天線,通過在接地板上刻蝕出T型槽來提高隔離度,但效果不理想;文獻(xiàn)[16]將天線單元正交放置并在接地板上增加隔離枝節(jié)以實(shí)現(xiàn)高隔離的目的?？偨Y(jié)前人的研究可以看出,現(xiàn)在設(shè)計(jì)的很多MIMO 天線仍無法很好地平衡小型化與高隔離度之間的關(guān)系,除此之外,有些UWB MIMO 天線無法濾除頻帶內(nèi)的窄帶干擾。

基于此現(xiàn)狀,本文提出一種小型化雙陷波超寬帶多輸入多輸出(UWB MIMO)縫隙天線,設(shè)計(jì)帶寬為3.1～11.2 GHz,滿足超寬帶天線要求,引入的陷波結(jié)構(gòu)能夠很好地解決WLAN(5.15～5.825 GHz)和X 上行頻段(7.9～8.4 GHz)的電磁干擾,它具有24 mm×24 mm×0.8 mm 的緊湊尺寸,并且天線在工作頻帶內(nèi)的隔離度低于-20 dB,增益平坦。

1 天線的設(shè)計(jì)及分析

本文設(shè)計(jì)的小型化UWB MIMO 天線幾何結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該天線選用厚度為0.8 mm、相對(duì)介電常數(shù)為4.4 以及損耗角正切為0.02 的FR4 介質(zhì)基板進(jìn)行制備。天線單元為微帶縫隙天線,其具有外形小、重量輕、成本低、易于與其他電路集成等優(yōu)點(diǎn)。天線底面的漸變切角縫隙是在傳統(tǒng)階梯縫隙基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的,兩者都是通過縫隙的不同部分來產(chǎn)生不同諧振,多個(gè)諧振組合起來進(jìn)而形成超寬帶。不同的是,一方面設(shè)計(jì)中為實(shí)現(xiàn)小型化,在傳統(tǒng)階梯縫隙直角的基礎(chǔ)上進(jìn)行切角處理,從而在有限的空間內(nèi)進(jìn)一步延長了表面電流長度,獲得原來需要更大尺寸才能實(shí)現(xiàn)的諧振;另一方面,設(shè)計(jì)中L10和L12矩形槽關(guān)于漸變切角縫隙中軸線是非對(duì)稱的,與傳統(tǒng)階梯縫隙相比,非對(duì)稱形式不再拘泥于階梯縫隙關(guān)于中軸線對(duì)稱的模式,在設(shè)計(jì)上可以更加靈活地得到相關(guān)諧振,同時(shí)非對(duì)稱形式使槽兩側(cè)表面電流路徑不同,可以產(chǎn)生更多諧振,有利于超寬帶工作頻段的實(shí)現(xiàn)。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Antenna structure of proposed design

該UWB MIMO 天線設(shè)計(jì)分為四個(gè)步驟:步驟一,如圖2(a)所示,設(shè)計(jì)出兩個(gè)叉型微帶饋電的縫隙天線單元,叉型結(jié)構(gòu)相比于常規(guī)矩形,其改變了貼片上的電流方向和路徑,進(jìn)而延長表面電流的有效長度,達(dá)到縮小尺寸的目的。步驟一的S參數(shù)指標(biāo)如圖3 中antenna_1曲線所示,叉型設(shè)計(jì)改善了高頻段的阻抗匹配,但在5 GHz以下回波損耗指標(biāo)不理想。并且為實(shí)現(xiàn)小型化,設(shè)計(jì)中將天線單元放置得很近,接地板上的表面電流和近場輻射導(dǎo)致天線間存在很強(qiáng)的相互耦合,隔離度在6 GHz以下未達(dá)到小于-15 dB 的設(shè)計(jì)要求。

步驟二,如圖2(b)所示,為達(dá)到高隔離度和擴(kuò)展帶寬的目的,在接地板上刻蝕出I 型槽與圓槽相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)使天線表面電流分布發(fā)生變化,進(jìn)而使間隔很近的天線單元距離增大,耦合減小,帶寬增大。圖3 中antenna_2 曲線表明天線回波損耗在3.1～11 GHz 范圍內(nèi)小于-10 dB,隔離度也明顯提升,整體低于-20 dB。

步驟三,如圖2(c)所示,接地板的鉤狀槽和微帶饋線的倒U 型槽分別用來實(shí)現(xiàn)工作頻帶內(nèi)WLAN 和X上行頻段的陷波,微帶饋線側(cè)邊的矩形槽則用來優(yōu)化頻帶內(nèi)的阻抗匹配。圖3 中antenna_3 曲線表明,饋線側(cè)邊的矩形槽使5 GHz 以下頻段的回波損耗得到改善,但陷波結(jié)構(gòu)的引入,導(dǎo)致天線在中高頻段的回波損耗和5.2～6 GHz 的隔離度惡化。

步驟四,如圖2(d)所示,為解決上述問題,在接地板刻蝕對(duì)稱的L 型槽和叉型槽,從圖3 的antenna_4曲線可得出,天線在工作頻段內(nèi)的回波損耗指標(biāo)良好,覆蓋了3.1～10.6 GHz 的超寬帶頻段,并且隔離度均低于-20 dB,遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求-15 dB 的指標(biāo)。因此,UWB MIMO 天線很好地平衡了小型化與高隔離的關(guān)系,相比較前面文獻(xiàn)中提到的天線具有一定優(yōu)勢。

圖2 天線設(shè)計(jì)步驟Fig.2 Steps of antenna design

圖3 各步驟天線的S 參數(shù)指標(biāo)對(duì)比圖Fig.3 Antenna S parameter comparison diagram of each step

天線的縫隙可為任意形狀,如圓形、矩形等,其尺寸的大小主要對(duì)天線的阻抗帶寬有影響,在一定范圍內(nèi),縫隙尺寸越大,相應(yīng)電流路徑就越長,天線會(huì)在較低的頻率處產(chǎn)生諧振。圖4 為天線諧振點(diǎn)及相關(guān)諧振結(jié)構(gòu)圖,可以發(fā)現(xiàn)天線在4.9,6.7 和9.9 GHz 處有明顯諧振,其中前兩個(gè)較低頻率的諧振主要是底層漸變切角槽的不同部分在不同的頻率下諧振造成的。相關(guān)計(jì)算公式為:

式中:LA、LB和L為有效槽長度;c為光速;f為諧振頻率。

使用式(1)～(3)計(jì)算得到諧振頻率為5.01 GHz和6.38 GHz,與圖4 中仿真得到的諧振頻率4.9 GHz和6.7 GHz 接近。

9.9GHz 處的諧振是由于天線頂層的叉形微帶輻射貼片造成的,其諧振頻率可由以下公式計(jì)算得出:

式中:Leff為叉形貼片實(shí)際輻射長度;εe為有效介電常數(shù);εr為相對(duì)介電常數(shù);L0為叉形貼片長度;ΔL為等效輻射縫隙長度;w為叉形貼片寬度;h為介質(zhì)板厚度。

通過上述公式計(jì)算數(shù)值得出諧振頻率為9.4 GHz,接近于圖4 中仿真的9.9 GHz 諧振頻率。由此UWB MIMO 天線的結(jié)構(gòu)與其產(chǎn)生的諧振得到驗(yàn)證。

圖4 天線諧振點(diǎn)及相關(guān)諧振結(jié)構(gòu)Fig.4 Antenna resonant points and related resonant structures

天線的陷波特性是通過在接地板刻蝕的鉤狀槽以及在叉型微帶線上刻蝕倒U 型槽來實(shí)現(xiàn)的。原理是開槽相當(dāng)于在天線中引入半波長諧振器,因此槽的長度L與陷波頻率f之間的關(guān)系滿足以下計(jì)算公式:

其中,槽的長度L在天線中具體指鉤狀槽和倒U型槽的總長度LC和LD,相關(guān)計(jì)算公式為:

2 仿真和實(shí)測參數(shù)指標(biāo)分析

2.1 S 參數(shù)及電流分布分析

圖5(a)和(b)分別為參數(shù)L4和L16在不同尺寸時(shí)的回波損耗S11指標(biāo)。其尺寸大小主要對(duì)頻帶內(nèi)的陷波產(chǎn)生影響,參數(shù)L4和L16尺寸的增加會(huì)使陷波逐漸向低頻移動(dòng),原因是尺寸增加會(huì)加大等效電流路徑長度,從而使諧振頻率向低頻移動(dòng)。當(dāng)L4=3.92 mm,L16=5.2 mm 時(shí),天線產(chǎn)生覆蓋WLAN 和X 上行頻段的陷波,且陷波獨(dú)立性高,對(duì)一個(gè)陷波結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化時(shí)不會(huì)對(duì)另一個(gè)陷波指標(biāo)產(chǎn)生很大影響。

圖5 天線陷波結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化Fig.5 Parameter optimization of the antenna notch structure

圖6(a)～(d)繪制了天線隔離度的參數(shù)優(yōu)化曲線。由圖可以發(fā)現(xiàn)參數(shù)L11和圓槽半徑R主要用來調(diào)節(jié)5 GHz 以下的隔離度,特別是參數(shù)L11對(duì)隔離度的優(yōu)化明顯。而叉型槽的參數(shù)W5和L 型槽的參數(shù)L7對(duì)工作頻段內(nèi)的隔離度均有影響,其中參數(shù)W5對(duì)4 GHz 以上的隔離度影響顯著,原因是這些結(jié)構(gòu)改變了貼片表面電流方向,相當(dāng)于延長單元間的距離,進(jìn)而影響耦合。經(jīng)HFSS 仿真軟件對(duì)尺寸優(yōu)化,當(dāng)L11=7.4 mm,R=2 mm,W5=7 mm,L7=4.5 mm 時(shí),隔離度在整個(gè)頻段內(nèi)小于-20 dB,最低達(dá)到-32 dB。

圖6 天線隔離度的相關(guān)參數(shù)優(yōu)化Fig.6 Optimization of relative parameters of antenna isolation

通過對(duì)天線各參數(shù)進(jìn)一步仿真優(yōu)化,最終確定天線的結(jié)構(gòu)尺寸,詳細(xì)數(shù)值見表1,加工的實(shí)物如圖7 所示。

圖7 天線實(shí)物加工圖Fig.7 Physical processing drawing of the antenna

表1 天線結(jié)構(gòu)的尺寸Tab.1 The dimensions of the antenna structure mm

圖8 為天線的回波損耗S11仿真與實(shí)測指標(biāo)圖。實(shí)物測試表明,天線分別在5～6.1 GHz 和7.9～8.9 GHz頻段上產(chǎn)生陷波,與仿真曲線中5.1～5.84 GHz 和7.6～8.69 GHz 的陷波頻段大體一致,很好地覆蓋了WLAN(5.15～5.825 GHz)和X 上行頻段(7.9～8.4 GHz)。由于加工材料以及焊接過程中不可避免地產(chǎn)生誤差,天線在高頻段的回波損耗比仿真指標(biāo)差,但仍在-10 dB 以下,符合設(shè)計(jì)要求,回波損耗最低值達(dá)到-25 dB 左右。實(shí)測天線在3.1～11.2 GHz 頻帶內(nèi)具有良好的阻抗帶寬,略優(yōu)于仿真的3.1～11 GHz,滿足超寬帶天線要求。圖9 繪制了天線的隔離度S21仿真與實(shí)測指標(biāo)圖。實(shí)測表明,天線在整個(gè)頻段內(nèi)隔離效果優(yōu)良,隔離度S21低于-20 dB,其中在5～8 GHz 上的隔離度比仿真結(jié)果更好,最低值達(dá)到-45 dB。

圖8 MIMO 天線S11仿真與實(shí)測值對(duì)比圖Fig.8 Comparison between simulated and measured S11 of the MIMO antenna

圖9 MIMO 天線S21仿真與實(shí)測值對(duì)比圖Fig.9 Comparison between simulated and measured S21 of the MIMO antenna

圖10 為天線在5.5 GHz 和8 GHz 的表面電流分布圖。由于天線的結(jié)構(gòu)關(guān)于中軸線對(duì)稱,所以只對(duì)一個(gè)端口進(jìn)行研究即可,此處對(duì)天線左端口激勵(lì),右端口加匹配負(fù)載,圖10(a)表明天線在5.5 GHz 的表面電流主要聚集在鉤狀槽周圍,阻抗失配,產(chǎn)生較大的反射系數(shù),無法輻射,因而形成濾除WLAN 頻段干擾的陷波。同樣由圖10(b)可以看出,天線在8 GHz 的電流主要集中在饋線的倒U 型槽周圍,可以有效解決X上行頻段的干擾。除此之外,從電流分布可以看出,隔離結(jié)構(gòu)的添加導(dǎo)致耦合到右側(cè)天線單元上的電流很少,大部分耦合電流被隔離結(jié)構(gòu)阻隔,從而改變電流流動(dòng)方向,有效增加了天線單元間的隔離度。

圖10 天線電流分布圖Fig.10 Current distribution of the antenna

2.2 天線輻射特性分析

圖11 繪制了天線在3.4,6.2 和9 GHz 時(shí)關(guān)于E面和H 面的仿真及實(shí)測歸一化遠(yuǎn)場輻射圖。因?yàn)樘炀€結(jié)構(gòu)對(duì)稱,所以兩個(gè)天線單元的方向圖大致相同,當(dāng)天線左端口被激勵(lì),右端口加匹配負(fù)載時(shí),由圖11 可以看出:天線在3.4 GHz 和9 GHz 時(shí)方向圖的E 面和H 面均大體呈現(xiàn)出圓形形狀;在6.2 GHz 時(shí),E 面方向圖呈現(xiàn)出類似于單極子天線的“8” 字形,H 面依然具有全向輻射特性。由于暗室測量環(huán)境及誤差,導(dǎo)致在實(shí)測時(shí)的方向圖有所收縮或凹陷,但方向圖大體仍具有全向性,天線在工作頻段內(nèi)具有較好的輻射性能,適合發(fā)送或接收各個(gè)方向的信號(hào)。

圖11 天線輻射方向圖Fig.11 Radiation pattern of the antenna

圖12 為天線的峰值增益與頻率關(guān)系圖。由圖可知,除陷波頻段外,天線增益維持在1～4 dB 之間,增益穩(wěn)定。增益在兩陷波頻段處驟然下降,最低值在-5 dB 左右,表明在此頻段天線無法正常輻射,進(jìn)而避免了WLAN 和X 上行頻段的干擾。

圖12 天線增益與頻率關(guān)系曲線圖Fig.12 Gain and frequency relation curve of antenna

2.3 包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(ECC)分析

為進(jìn)一步分析MIMO 天線的分集特性,接下來對(duì)天線包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(ECC)進(jìn)行研究,包絡(luò)相關(guān)系數(shù)描述了天線單元對(duì)信號(hào)接收的獨(dú)立程度,數(shù)值應(yīng)盡可能低,其值可以由仿真和測量的S參數(shù)代入公式(11)計(jì)算得到:

式中:為S11的共軛值;為S21的共軛值。

利用公式(11)計(jì)算可得天線包絡(luò)相關(guān)系數(shù)ECC 指標(biāo)如圖13 所示。由圖13 可以看出,天線的ECC 低于0.01,遠(yuǎn)小于指標(biāo)要求的0.5,表明各天線單元之間具有良好的獨(dú)立性。

圖13 天線包絡(luò)相關(guān)系數(shù)ECC 指標(biāo)圖Fig.13 Envelope correlation coefficient index diagram of antenna

表2 為本文設(shè)計(jì)的天線與近幾年已發(fā)表文獻(xiàn)的MIMO 天線性能參數(shù)對(duì)比,主要從尺寸、帶寬、阻帶、隔離度、ECC 方面進(jìn)行對(duì)比。從對(duì)比結(jié)果可以看出,本文設(shè)計(jì)的天線很好地平衡了小型化尺寸與高隔離度的關(guān)系,且具有較寬帶寬、雙陷波以及包絡(luò)相關(guān)系數(shù)小的優(yōu)點(diǎn)。

表2 天線性能參數(shù)對(duì)比Tab.2 Comparison of antenna performance parameters

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種小型化雙陷波UWB MIMO 縫隙天線。天線采用總尺寸為24 mm×24 mm×0.8 mm 的FR4 介質(zhì)基板制備,并以兩個(gè)叉型微帶饋電的縫隙天線單元作為MIMO 天線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),通過在接地板刻蝕出叉型槽、對(duì)稱L 型槽以及I 型槽與圓槽相結(jié)合的結(jié)構(gòu)來增加系統(tǒng)隔離和優(yōu)化匹配帶寬;同時(shí),接地板上鉤狀槽和饋線上倒U 型槽的引入,實(shí)現(xiàn)了覆蓋WLAN 和X 波段上行頻段的陷波。結(jié)果表明,天線帶寬為3.1～11.2 GHz,其中5～6.1 GHz 和7.9～8.9 GHz 為陷波頻段,其他頻段阻抗匹配良好;整個(gè)頻段內(nèi)的隔離度均低于-20 dB,增益平坦,包絡(luò)相關(guān)系數(shù)ECC 小于0.01。該天線兼顧了小型化和高隔離的特點(diǎn),輻射增益穩(wěn)定,適用于小型化超寬帶多輸入多輸出系統(tǒng)應(yīng)用。