一種K 波段小型化MIMO 天線設(shè)計(jì)

南敬昌,韓欣欣,高明明,王紀(jì)禹

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,遼寧 葫蘆島 125105)

隨著無線通信行業(yè)的發(fā)展,頻段利用逐漸趨向于K 波段等毫米波頻段,設(shè)計(jì)高頻段的通信設(shè)備可緩解低時(shí)延、數(shù)據(jù)密集的壓力。更重要的是,提高載波頻率意味著天線尺寸的變小,即可以通過增加天線數(shù)量來補(bǔ)償高頻路徑損耗[1-3]。為滿足高頻帶資源有限而高速數(shù)據(jù)需求無限增長的要求,利用多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技術(shù)增加發(fā)射天線來增加空間自由度、改善系統(tǒng)性能、提高頻帶利用率已經(jīng)成為無線通信領(lǐng)域中的一個(gè)研究方向。MIMO 天線通過創(chuàng)造多個(gè)并行空間信道獨(dú)立地傳輸信息,將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了較高的通信容量和頻譜利用率[4-6]。

然而,天線的小型化將改變MIMO 天線單元間的相關(guān)性,降低輻射效率與增益,產(chǎn)生強(qiáng)烈的耦合作用。近年來有關(guān)MIMO 天線設(shè)計(jì),不少學(xué)者通過加載中和線、設(shè)置缺陷地、采用解耦網(wǎng)絡(luò)、利用模式對(duì)消等[7-15]方法進(jìn)行去耦合。Hao 等[16]提出了一種實(shí)用超材料MIMO 天線,利用折疊式互補(bǔ)諧振環(huán)(Fold Complementary Ring Resonator,FCRR)原理降低耦合,實(shí)現(xiàn)工作頻段內(nèi)隔離度低于-15 dB;Loghman 等[17]提出的天線由兩個(gè)帶有折疊微帶線和對(duì)稱L 型縫隙的輻射貼片組成,使用互補(bǔ)開口諧振環(huán)(Complementary Split-Ring Resonator,CSRR)結(jié)構(gòu)提高隔離度并控制諧振頻率;Shafique 等[18]提出了一種結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸為44 mm×74 mm×1 mm 的MIMO 天線,改進(jìn)的互補(bǔ)裂環(huán)諧振器滿足了表面波和空間波效應(yīng)的需求。雖然上述天線性能良好,但是上述設(shè)計(jì)方法不僅會(huì)使天線整體尺寸增加,損失大部分帶寬,而且去耦合也只體現(xiàn)在窄帶部分。

基于上述現(xiàn)狀,本文設(shè)計(jì)了一款K 波段小型化MIMO 天線,在工作頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了良好的性能。通過對(duì)輻射貼片做出基本改進(jìn)使天線工作在K 波段后,進(jìn)一步優(yōu)化接地板結(jié)構(gòu)。在接地板上加載多開口槽矩形寄生單元以降低中低頻段的耦合;在正中間刻蝕一個(gè)CSRR 結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)作為一種超材料,讓表面電流流入開口環(huán)中,并在高頻段處產(chǎn)生諧振點(diǎn),達(dá)到寬頻帶去耦合的效果。經(jīng)過HFSS 軟件的一系列仿真優(yōu)化,天線整體尺寸為15 mm×24 mm×0.8 mm,匹配帶寬17～27.2 GHz 內(nèi)隔離度小于-18.3 dB。

1 MIMO 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

設(shè)計(jì)的MIMO 天線印刷在FR4 介質(zhì)基板上,介質(zhì)損耗角正切值為0.025,尺寸為15 mm×24 mm×0.8 mm,天線正面由兩個(gè)輻射貼片為九邊形的單元組成,天線背面由開槽的接地板組成,并在接地板正中心位置處加載一個(gè)多開口槽矩形去耦寄生單元,刻蝕一個(gè)CSRR 諧振結(jié)構(gòu)。K 波段MIMO 天線結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Antenna structure diagram

在HFSS 仿真軟件中對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后的參數(shù)如表1 所示。

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

天線單元改進(jìn)過程如圖2 所示。最初設(shè)計(jì)的天線輻射貼片為正圓形,接地板為矩形且高度Lg=5 mm;將圓形貼片進(jìn)行外圍切角后對(duì)稱放置,形成正九邊形二單元天線;最后對(duì)接地板正對(duì)饋線處刻蝕長度L3=3.5 mm 和寬度W3=1.4 mm 的矩形槽,得到一款可以工作于K 波段的MIMO 天線。

圖2 天線單元改進(jìn)示意圖Fig.2 Antenna unit improvement diagram

天線貼片改進(jìn)過程中S11的變化如圖3 所示。由圖3 可知,天線1 在高頻處阻抗失配,部分頻段處對(duì)應(yīng)的S11高于-10 dB。為了提高天線在高頻處的阻抗性能,對(duì)貼片周圍進(jìn)行切角得到天線2,切角實(shí)質(zhì)上增加了貼片與接地板間的距離,從而增加了阻抗的連續(xù)性,使S11整體降低,但在24 GHz 左右仍然存在失配現(xiàn)象。天線3 為初形成的MIMO 天線,S11在18.4～28 GHz 內(nèi)低于-10 dB,高頻段帶寬有所降低,這是由于右側(cè)天線作為一個(gè)輻射體,對(duì)左側(cè)天線產(chǎn)生了影響。為進(jìn)一步提高天線的性能,在接地板上刻蝕兩個(gè)大小相等的矩形槽,通過改變電流的流經(jīng)路徑拓寬帶寬,這樣得到的天線4 回波損耗S11在17～28 GHz 內(nèi)全部低于-10 dB,在18.2～28 GHz 內(nèi)低于-12.5 dB。

圖3 貼片改進(jìn)過程中S11變化圖Fig.3 Variation diagram of S11 during patch improvement

2 去耦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

2.1 去耦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上述MIMO 天線雖然滿足K 波段帶寬要求,但隔離度性能極差,天線單元間存在嚴(yán)重互偶,需要去耦設(shè)計(jì)來獲得性能良好的天線。天線去耦設(shè)計(jì)過程如圖4 所示。為了大幅度提升隔離度,在接地板上加載矩形結(jié)構(gòu)作為寄生單元,得到天線5。為了改善中頻隔離度,在矩形寄生單元上刻蝕四個(gè)矩形縫隙,得到天線6。為了使高頻段隔離度進(jìn)一步降低,加強(qiáng)磁響應(yīng),在接地板中心位置刻蝕兩個(gè)半徑不等、縫隙不等、開口方向相反的圓環(huán),形成一個(gè)CSRR 諧振器,得到天線7,從而實(shí)現(xiàn)了MIMO 天線的去耦。

圖4 天線去耦設(shè)計(jì)示意圖Fig.4 Antenna decoupling design diagram

去耦設(shè)計(jì)中MIMO 天線S11的變化如圖5 所示。從天線4 改進(jìn)到天線7 過程中,帶寬會(huì)因?yàn)槿ヱ罱Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)而有所損失,但在17.0～27.2 GHz 頻段內(nèi)仍低于-10 dB。

圖5 去耦設(shè)計(jì)中S11變化圖Fig.5 Variation diagram of S11 in decoupling design

去耦設(shè)計(jì)中MIMO 天線S12的變化如圖6 所示。在天線未加任何去耦結(jié)構(gòu)時(shí),天線單元互偶嚴(yán)重,S12基本上大于-15 dB;加入矩形去耦寄生單元后,隔離度在低頻與高頻處同時(shí)降低;天線6 在天線5 的基礎(chǔ)上對(duì)矩形進(jìn)行開槽處理,使天線在K 波段內(nèi)隔離度整體小于-15 dB;最后加入CSRR 結(jié)構(gòu)后產(chǎn)生了諧振,諧振點(diǎn)發(fā)生偏移,天線在23.6 GHz 頻點(diǎn)左右的耦合有效降低,隔離度達(dá)到18.3 dB。

圖6 去耦設(shè)計(jì)中S12變化圖Fig.6 Variation diagram of S12 in antenna decoupling design

2.2 去耦原理分析

2.2.1 多開口槽矩形去耦寄生單元

加載多開口槽矩形寄生單元后,一端受激勵(lì)的天線單元對(duì)該寄生單元產(chǎn)生耦合,而寄生單元本身會(huì)對(duì)另一端非激勵(lì)天線單元產(chǎn)生耦合,兩種耦合的電流相位相反,互相抵消,達(dá)到去耦目的。天線在19 GHz 時(shí)電流分布情況如圖7 所示。在天線端口受到激勵(lì)情況下,電流集中分布在右側(cè)天線以及多開口槽矩形去耦單元上,左側(cè)天線表面幾乎無電流。說明加載該單元有效阻礙電流向左側(cè)天線的流動(dòng),實(shí)現(xiàn)隔離度的提升。

圖7 天線在19 GHz 處電流分布情況Fig.7 Current distribution of the antenna at 19 GHz

2.2.2 CSRR 結(jié)構(gòu)

互補(bǔ)開口諧振環(huán)(Complementary Split -Ring Resonator,CSRR)是開口諧振環(huán)(Split-Ring Resonator,SRR)的一種新型結(jié)構(gòu),作為磁性超材料可有效提高磁導(dǎo)率,從而被引入微波電路中充當(dāng)一種濾波結(jié)構(gòu)。CSRR 諧振結(jié)構(gòu)的電場和磁場分布情況如圖8 所示。當(dāng)天線工作在諧振頻率時(shí),CSRR 主要由垂直于環(huán)平面的電場和平行于環(huán)平面的磁場激勵(lì),且電場激勵(lì)明顯高于磁場激勵(lì)。CSRR 可以等效為一個(gè)電偶極子,在諧振頻率附近產(chǎn)生負(fù)介電常數(shù),具有帶阻效應(yīng),引起一個(gè)諧振吸收峰出現(xiàn)。

圖8 CSRR 場分布Fig.8 Field distribution of CSRR

從原理上講,一個(gè)金屬圓環(huán)在與其垂直的變化磁場中,會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電磁場,但卻并非諧振系統(tǒng),為了產(chǎn)生諧振則需要引入電容。SRR 結(jié)構(gòu)是在每個(gè)金屬環(huán)上加入一個(gè)缺口,形成電容,電荷會(huì)在其兩端積聚,而電容和電感一起便形成了諧振電路。CSRR 結(jié)構(gòu)如圖9(a)所示,灰色部分表示金屬接地板,綠色雙環(huán)表示在接地板上刻蝕的SRR 結(jié)構(gòu)。CSRR 是SRR 的互補(bǔ)結(jié)構(gòu),工作原理與SRR 是互偶的?？梢杂眉倕?shù)模型描述CSRR特性,其等效LC 并聯(lián)諧振電路如圖9(b)所示。

圖9 CSRR 結(jié)構(gòu)與等效LC 諧振電路Fig.9 Structure and equivalent LC resonant circuit of CSRR

在LC 諧振電路中,設(shè)SRR 等效電路中電感為L0,環(huán)路電容分別為C01和C02,則CSRR 等效電路中總電感Lc與地面覆蓋的金屬環(huán)耦合電容Cc可以分別用式(1)和式(2)表示:

式中:L1表示CSRR 等效的電感;ε和μ分別表示介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。傳輸系數(shù)S12的諧振頻率fc可由式(3)得到。

為使天線小型化,文中只采用了單個(gè)CSRR 結(jié)構(gòu),外環(huán)寬度與內(nèi)環(huán)寬度近似相等,并通過優(yōu)化開口大小來調(diào)整諧振點(diǎn)位置。由圖6 可知,加入CSRR 結(jié)構(gòu)后的天線在23.6 GHz 處產(chǎn)生了諧振,在23.0～24.5 GHz 頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了窄帶去耦,使隔離度整體提高。天線在23.6 GHz 時(shí)電流分布情況如圖10 所示,電流主要集中于CSRR 結(jié)構(gòu)上,左側(cè)天線表面電流極少,說明要耦合到該天線單元的表面波被抑制,也證實(shí)了該結(jié)構(gòu)去耦的有效性。

圖10 天線在23.6 GHz 處電流分布情況Fig.10 Current distribution of the antenna at 23.6 GHz

3 實(shí)測與仿真結(jié)果分析

3.1 S 參數(shù)

K 波段MIMO 天線制作實(shí)物如圖11 所示。將天線在暗室環(huán)境下通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試,天線S11和S12仿真與實(shí)測結(jié)果對(duì)比如圖12 所示?？梢钥闯?實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果大致吻合,存在的微小誤差可能由于天線在加工制作中材料的參數(shù)帶來了影響。

圖11 天線實(shí)物圖Fig.11 Physical diagram of the antenna

圖12 S 參數(shù)仿真與實(shí)測結(jié)果Fig.12 The simulation and measurement results of S-parameters

3.2 輻射方向圖

天線輻射方向圖是指在距離天線一定位置處的電磁波輻射參量隨方向變化的圖形表示,通常分為E 面和H 面。天線在17.6,21.6 和26.6 GHz 處的E 面、H 面方向圖如圖13 所示。從圖13 可以看出,E 面與H面基本對(duì)稱,但是隨頻率的升高,方向圖受耦合的影響加強(qiáng),所以會(huì)呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的效果,產(chǎn)生畸變,這也是在設(shè)計(jì)毫米波天線中所要犧牲的性能代價(jià)。

圖13 天線輻射方向圖Fig.13 Radiation patterns of the antenna

3.3 包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(ECC)

為獲得良好的MIMO 天線性能,必要條件之一就是要求發(fā)射端與接收端天線間相關(guān)性較低。包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(ECC)是表示MIMO 系統(tǒng)空間相關(guān)性系數(shù)的一種類型。理想條件下,ECC 值應(yīng)為0,但實(shí)際上由于外界環(huán)境等的干擾,規(guī)定ECC 值小于0.5 即可。文中設(shè)計(jì)的天線ECC 仿真與實(shí)測結(jié)果如圖14 所示,從圖14可以看出,天線在K 波段范圍內(nèi)ECC 小于0.001,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖14 ECC 仿真與實(shí)測結(jié)果Fig.14 The simulation and measurement results of ECC

3.4 性能對(duì)比

對(duì)本文設(shè)計(jì)的天線與現(xiàn)有類似設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行性能比較,如表2 所示。根據(jù)工作頻帶同在K 波段內(nèi),與文獻(xiàn)[7-9]相比,本文天線尺寸更小,板材更便宜,加工費(fèi)用更低;根據(jù)現(xiàn)有去耦方法,與文獻(xiàn)[14-17]加載寄生單元、設(shè)置缺陷地(Defected Ground Structure,DGS)結(jié)構(gòu)、諧振環(huán)以及超材料折疊互補(bǔ)開口諧振環(huán)(Metamaterial Fold Complementary Ring Resonator,Meta-FCRR)等方法相比,本文采用寄生單元與CSRR 結(jié)合去耦,得到的天線在保證尺寸占優(yōu)情況下,具有更低的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)、更高的隔離度。綜上性能對(duì)比可以看出,該天線不僅設(shè)計(jì)方法效果顯著,而且利于實(shí)際加工應(yīng)用,為天線的設(shè)計(jì)提供了一種參考方案。

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

4 結(jié)論

本文提出了一款應(yīng)用于K 波段的小型化MIMO 天線。通過在輻射貼片外圍切角、在接地板刻蝕矩形槽缺陷地結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了天線的寬帶匹配特性;采用加載多開口槽矩形去耦寄生單元以及CSRR 諧振結(jié)構(gòu)的方法,實(shí)現(xiàn)了天線單元間隔離度的提升。最終,設(shè)計(jì)的天線總尺寸為15 mm×24 mm×0.8 mm,工作頻段為17～27.2 GHz,隔離度均小于-18.3 dB,輻射增益較穩(wěn)定,包絡(luò)相關(guān)系數(shù)ECC 小于0.001。與現(xiàn)有MIMO 天線相比,該天線在尺寸上占有較大優(yōu)勢,各項(xiàng)性能良好,可以廣泛應(yīng)用于相關(guān)領(lǐng)域中。