用于WLAN的高隔離度雙頻MIMO天線

張寶軍， 郭 濤， 陳 曦， 蘇展飛

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安710121)

0 引 言

隨著無線通信領(lǐng)域發(fā)展迅速，人們?cè)谙硎軣o線技術(shù)帶來的便捷的同時(shí)，也對(duì)數(shù)據(jù)傳輸效率、信道帶寬、容量、干擾度等通信指標(biāo)提出了更高的需求。多輸入多輸出(multiple-input multiple-output，MIMO)技術(shù)作為新一代通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，其系統(tǒng)具有空間分集、 空間復(fù)用和波束賦用等功能, 提高了信號(hào)傳輸質(zhì)量與頻譜利用率，被公認(rèn)為能夠滿足當(dāng)前通信需求最有前景的技術(shù)之一[1]。同時(shí)無線局域網(wǎng)(wireless local area network，WLAN)是目前最常見的無線通信技術(shù)，其高性能、安全與便捷性得到了人們的廣泛應(yīng)用，并深刻地改變了人們的生活[2]。因此，對(duì)于研究用于WLAN技術(shù)的MIMO天線具有重要意義。

在MIMO系統(tǒng)中為了獲得良好的性能，在發(fā)射端與接收端的天線應(yīng)避免相關(guān)性，即天線單元間應(yīng)具有低耦合性[3]。因此，研究MIMO天線的重點(diǎn)之一應(yīng)是如何降低緊湊天線單元間的耦合性，提高隔離度。近幾年來，已有許多方法被用于提高天線隔離度。例如地板縫隙結(jié)構(gòu)[4～6]通過抑制地板表面波帶來的互耦提高了天線隔離度，其結(jié)構(gòu)簡單易制作，滿足天線的小型化設(shè)計(jì)要求，具有適用性；內(nèi)置解耦網(wǎng)絡(luò)[7]也可用于降低天線單元間耦合度，但其需根據(jù)天線頻段數(shù)設(shè)置多頻去耦網(wǎng)絡(luò)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，難以加工，不利于控制天線加工成本；寄生單元結(jié)構(gòu)[8,9]利用相位相反電流的抵消作用減小天線間的耦合程度，其適用性強(qiáng)，去耦效果較好，且制作成本低；地板枝節(jié)結(jié)構(gòu)[10]與寄生單元結(jié)構(gòu)原理相同，但其能夠產(chǎn)生額外的耦合路徑，進(jìn)一步降低天線間的互耦作用；EBG結(jié)構(gòu)[11]是一種循環(huán)排列結(jié)構(gòu)，其在一定頻帶內(nèi)具有帶阻特性，能夠有效抑制地板上電流從激勵(lì)端流向非激勵(lì)端，從而提高天線的隔離度，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以應(yīng)用于小型化天線的設(shè)計(jì)；中和線解耦技術(shù)[12,13]通過在合適的位置引入一條金屬微帶線將兩天線連接起來，在天線單元間引入與激勵(lì)天線產(chǎn)生的耦合電流幅度相等，相位相反的電流，達(dá)到去耦的效果，其不會(huì)增加天線原有的尺寸，且結(jié)構(gòu)簡易，占地面積小。

同時(shí)，具有多頻段、寬頻帶、小型化及高增益的天線廣泛應(yīng)用于WLAN頻段。針對(duì)當(dāng)前WLAN天線的普遍適用性與MIMO天線高隔離度的設(shè)計(jì)趨勢，以及現(xiàn)有設(shè)計(jì)中存在的不足，本文設(shè)計(jì)了一種以FR4為基板的雙頻MIMO天線，工作頻段覆蓋WLAN 2.4 GHz和5 GHz兩個(gè)工作頻段，添加的Y型枝節(jié)與L型地板縫隙在低頻段與高頻段分別提高了天線的隔離度。對(duì)于常規(guī)MIMO天線，要求隔離度至少高于15 dB，所設(shè)計(jì)MIMO天線在工作頻帶內(nèi)隔離度大于22 dB，擁有優(yōu)異的去耦性能，且天線同時(shí)具有結(jié)構(gòu)緊湊，阻抗匹配，全向輻射性能較好等特點(diǎn)。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 天線整體

本文所設(shè)計(jì)的天線如圖1所示，該天線采用FR4為介質(zhì)基板，基板厚度為0.8 mm,相對(duì)介電常數(shù)為4.4，損耗正切角為0.02。天線單元采用微帶線饋電，整體天線尺寸為50 mm×26 mm。介質(zhì)基板的正面部分為直接印刷在介質(zhì)板上的L型單極子天線，其背面部分為金屬地板。其中，長L型輻射枝節(jié)直接與地板相連，兩天線單元間通過對(duì)稱的形式進(jìn)行進(jìn)行擺放，且在天線單元間加載了一個(gè)Y型枝節(jié)與L型地板縫隙結(jié)構(gòu)。

圖1 天線整體結(jié)構(gòu)示意

1.2 MIMO天線設(shè)計(jì)過程

根據(jù)天線波長的計(jì)算公式

λ0=c/f

(1)

λg=λ0/εr

(2)

λ=λg/4

(3)

式中λ0為真空中對(duì)應(yīng)波長；c為光在真空中的速度;f為天線頻率；λg為介質(zhì)中對(duì)應(yīng)波長；εr為介質(zhì)板相對(duì)介電常數(shù)；λ為介質(zhì)中單極子天線對(duì)應(yīng)波長。根據(jù)上述式(1)～式(3)即可算得在介質(zhì)板中L型單極子天線諧振的初始長度，以此實(shí)現(xiàn)WLAN 5 GHz頻段的諧振。通過在介質(zhì)基板背面部分的金屬地板上加載L型輻射枝節(jié)，通過耦合饋電的方式實(shí)現(xiàn)WLAN 2.4 GHz頻段的諧振，使其具有雙頻特性。

為了提高天線的隔離度，在介質(zhì)基板的背板部分添加了Y型枝節(jié)，用于產(chǎn)生額外的耦合路徑。其激勵(lì)端天線單元對(duì)Y型枝節(jié)和非激勵(lì)端天線產(chǎn)生耦合作用，同時(shí)Y型枝節(jié)以及非激勵(lì)端天線單元對(duì)激勵(lì)端天線也產(chǎn)生耦合作用。通過這種相互作用的抵消，提高了天線的隔離度。

在Y型枝節(jié)的下方進(jìn)行了地板開L型縫隙，通過L型縫隙改變地板傳輸線的電流分布，抑制了地板表面波帶來的互耦，從而進(jìn)一步提高天線隔離度。解耦部分呈對(duì)稱分布，同時(shí)在地板與L型輻射枝節(jié)連接處兩端添加了L型地板槽，槽的加載改變了天線的電流流動(dòng)路徑，以此來獲得更好的阻抗匹配。MIMO天線設(shè)計(jì)過程如圖2所示。

圖2 MIMO天線設(shè)計(jì)過程

圖3展示了有無隔離結(jié)構(gòu)的S21仿真對(duì)比圖。從圖中可以看出，加入了去耦結(jié)構(gòu)后，在2.37～2.5 GHz頻段處，S21由整體頻段內(nèi)大于-22 dB變?yōu)榱诵∮?30.5 dB，在4.93～6.09 GHz頻段處，S21由整體頻段內(nèi)大于-20 dB變?yōu)榱诵∮?22 dB。由此可見，具有隔離結(jié)構(gòu)的天線隔離度改善顯著，表明了Y型枝節(jié)和與其相鄰的L型地板縫隙兩種去耦結(jié)構(gòu)的去耦作用，具有該去耦結(jié)構(gòu)的天線可以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 有無隔離結(jié)構(gòu)的隔離度對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證隔離結(jié)構(gòu)的有效性，給出天線在2.4 GHz與5.5 GHz頻率處天線工作時(shí)有無去耦結(jié)構(gòu)的電流分布圖對(duì)比。如圖4所示，其中左端口為激勵(lì)端口。在未添加去耦結(jié)構(gòu)時(shí)，非激勵(lì)端天線單元存在著大量耦合電流，天線單元間存在著十分強(qiáng)烈的耦合，嚴(yán)重影響天線的工作狀態(tài)。雖然L型輻射枝節(jié)的存在對(duì)L型單極子的表面電流有一定的削弱作用，但效果不明顯。當(dāng)添加去耦結(jié)構(gòu)后，耦合電流主要集中于Y型枝節(jié)，非激勵(lì)端天線單元表面電流減弱明顯。同時(shí)L型地板縫隙的出現(xiàn)改變了之前激勵(lì)端天線的表面電流分布，使得耦合電流主要集中于Y型枝節(jié)與L型地板縫隙附近，進(jìn)一步減弱了非激勵(lì)端天線的表面電流。兩種解耦結(jié)構(gòu)的存在提高了天線單元間的隔離度，保證了天線工作的性能。

圖4 有無隔離結(jié)構(gòu)時(shí)天線電流分布

2 參數(shù)分析與優(yōu)化

為使所設(shè)計(jì)MIMO天線性能達(dá)到最佳狀態(tài)，本文在天線設(shè)計(jì)過程中通過ANSOFT HFSS 13.0對(duì)天線結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行了仿真優(yōu)化分析。優(yōu)化過程中采用對(duì)一個(gè)參數(shù)優(yōu)化，其余參數(shù)保持不變的方式，優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。

從圖5(a)，(b)可以看出，參數(shù)L1，L7主要對(duì)天線的諧振頻率產(chǎn)生了影響，當(dāng)L1增加時(shí)，低頻處的諧振頻率變化不明顯，高頻處諧振頻率隨L1的增加而逐漸左移。當(dāng)L7增加時(shí)，高頻處的諧振頻率無明顯變化，低頻處的諧振頻率隨L7長度增加而逐漸左移，且高頻處天線的S11隨L7長度的減小而減小，說明L7的減小可以改善天線在高頻處的阻抗匹配。

Y型枝節(jié)主要作用為去耦作用，因此，對(duì)于Y型枝節(jié)的參數(shù)分析與優(yōu)化也尤為重要。在Y型枝節(jié)中，LY1為Y型枝節(jié)中心與其枝節(jié)一邊中點(diǎn)連線所構(gòu)成直角三角形的直角邊長，LY2為另其一直角邊長，LY3為Y型枝節(jié)中心與地板金屬之間的距離。通過改變LY2與LY1的長度來改變Y型枝節(jié)的角度與長度，以此用來分析Y型枝節(jié)對(duì)天線S參數(shù)的影響。以LY2為例，如圖5(c)，當(dāng)LY2改變時(shí)，天線的高頻諧振頻率與低頻諧振頻率均未受明顯影響，但高低頻處的S11值隨著LY2的增加而先降低后又增加，從曲線圖中可以判斷，Y型去耦結(jié)構(gòu)并未對(duì)天線的諧振頻段造成明顯改變。由圖5(d)可得，隨著LY2的增大，天線的S21值在低頻處先變小后變大，在高頻處逐漸變大，說明天線隨著LY2值的改變其隔離性能得到了改善，尤其在低頻處改善較明顯。

圖5(e)，(f)為L型地板縫隙長度L8對(duì)天線S參數(shù)的影響，從圖5(e)可以看出，隨著L8的變化，天線的高低頻諧振點(diǎn)與S11均未發(fā)生明顯變化，說明L型地板縫隙去耦結(jié)構(gòu)的加入對(duì)天線的諧振點(diǎn)與阻抗匹配影響較小。在圖5(f)中，隨著L8的增加，天線工作頻段內(nèi)S21先減小后增大，整體呈減小趨勢，說明其對(duì)天線的隔離性能起到改善作用，且在天線的高頻段部分改善較為明顯。

圖5 天線參數(shù)優(yōu)化曲線

通過對(duì)其他參數(shù)的仿真結(jié)果優(yōu)化，天線的最終參數(shù)尺寸如表1所示，其單位為mm。

表1 天線尺寸 mm

圖6為經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后天線的S參數(shù)隨著頻率變化曲線圖。從圖中可以看出，當(dāng)S11≤-10 dB時(shí)，天線的工作帶寬分別為0.13 GHz(2.37～2.5 GHz)與1.16 GHz(4.93～6.09 GHz)，相對(duì)帶寬分別為5.3 %和21.1 %。所設(shè)計(jì)MIMO天線工作頻段覆蓋了IEEE 802.11 b/g/n頻帶(2.4～2.48 GHz)及IEEE 802.16頻帶(5.15～5.85 GHz)，滿足WLAN工作要求。在其工作頻帶范圍內(nèi)，隔離度均在22 dB以上，最高可達(dá)50 dB，整體隔離特性較好。

圖6 MIMO天線S參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 輻射方向圖

圖7(a)～(c)給出了天線在2.4，5.3，5.8 GHz頻率的二維輻射方向圖，每個(gè)圖中包含了E面與H面。從圖7(a)中可以看出，天線在2.4 GHz處H面整體增益均在1 dBi以上，且E面與H面都具有趨于全向輻射的輻射方向圖，有利于天線單元接收或發(fā)射各個(gè)方向的電磁信號(hào)。由圖7(b)可以看出，在5.3 GHz處仿真計(jì)算的峰值增益為7.9 dBi，雖在個(gè)別方向效果有所惡化，但總體方向性仍屬可接受狀態(tài)。圖7(c)中天線在5.8 GHz頻率下整體方向性良好，其峰值增益為7.4 dBi。總體來說，天線在各個(gè)頻點(diǎn)輻射分布較良好，效率較高，所設(shè)計(jì)MIMO天線適合當(dāng)前的便攜式無線路由器。

圖7 天線二維輻射方向圖

3.2 包絡(luò)相關(guān)系數(shù)曲線圖

包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(envelope correlation coefficient，ECC)是用來衡量天線分集性能的參數(shù)，是用來確保MIMO通信中信道相關(guān)性的關(guān)鍵。在具有收發(fā)兩端的多天線構(gòu)成信道中，信道間可能是相關(guān)，也有可能是不相關(guān)的，信道間的相關(guān)性優(yōu)劣嚴(yán)重影響著MIMO天線在系統(tǒng)性能的好壞。ECC值越低說明MIMO系統(tǒng)信道間的相關(guān)性越低，系統(tǒng)分集性能越好。在各向同性的傳播環(huán)境中，包絡(luò)相關(guān)系數(shù)通常利用S參數(shù)或輻射方向圖計(jì)算，但輻射方向圖的計(jì)算方式較為復(fù)雜，因此采用最常用的S參數(shù)來計(jì)算其值。其公式為

(4)

圖8為通過式(4)計(jì)算所得的ECC曲線，從圖中可以看出，所設(shè)計(jì)的MIMO天線在其工作頻段內(nèi)ECC值均遠(yuǎn)小于0.01，說明所設(shè)計(jì)天線具有很好的分集增益。由于引入了解耦結(jié)構(gòu)，提高了天線各工作頻段尤其是低頻段的隔離度，得到了很好的分集性能。

圖8 天線ECC曲線

3.3 天線增益曲線圖

圖9為天線在某空間定點(diǎn)處仿真計(jì)算所得的增益隨頻率變化圖。從圖中可以看出，天線在其工作頻段內(nèi)增益分別為2.62～2.73dBi(2.37～2.5GHz)與4.18～6.41dBi(4.93～6.09GHz)，天線輻射性能較好。

圖9 天線增益曲線

為了更好地體現(xiàn)本文所設(shè)計(jì)MIMO天線的性能，選取近幾年來參考文獻(xiàn)中的天線進(jìn)行比對(duì)。分別從天線尺寸、有效帶寬、工作頻段、隔離度等幾個(gè)方面進(jìn)行比較，如表2所示。從表中可以看出，設(shè)計(jì)的天線能夠在結(jié)構(gòu)小且緊湊的空間內(nèi)分別在低頻與高頻工作段內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的隔離度，其阻抗匹配特性以及輻射特性良好，天線整體性能較好。

表2 天線性能參數(shù)對(duì)比

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了用于WLAN頻段的雙頻MIMO天線。通過L型單極子天線與介質(zhì)背板長L型輻射枝節(jié)的耦合饋電實(shí)現(xiàn)了天線雙頻特性，通過加載Y型枝節(jié)與L型地板縫隙兩種去耦結(jié)構(gòu)分別提高了天線在低頻與高頻處的隔離度。仿真結(jié)果表明：原天線在工作頻段內(nèi)隔離度小于20 dB，再加入去耦結(jié)構(gòu)后獲得了高于22 dB的高隔離度，最高可達(dá)50 dB左右，隔離性能較好，且天線結(jié)構(gòu)緊湊尺寸小，其工作頻段能夠完全覆蓋WLAN 2.4 GHz與5 GHz工作頻段，阻抗匹配及全向輻射特性良好，分集增益較高，其在WLAN應(yīng)用中具有廣泛前景。