應(yīng)用于5G的高隔離雙頻MIMO天線設(shè)計(jì)

王 鵬，程號(hào)迪，韓國(guó)瑞

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006)

隨著世界進(jìn)入“第四次工業(yè)革命”，人們迫切希望通信系統(tǒng)能夠低延遲、高速度。多輸入多輸出(multiple input multiple output，MIMO)天線技術(shù)可以通過(guò)空間復(fù)用提高通信系統(tǒng)的信道容量，其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)被視為能滿足第5代移動(dòng)通信(5G)需求的核心技術(shù)之一。然而通訊設(shè)備的小型化發(fā)展導(dǎo)致天線單元之間的耦合增加。因此，降低天線端口之間的耦合，提高隔離度成為MIMO天線的研究重點(diǎn)。

對(duì)于單頻段MIMO天線，第1種提高天線隔離度的方法是使用缺陷地結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[1]在天線陣列之間的接地板刻蝕曲折線槽，使天線在4.94 GHz～4.99 GHz工作頻段內(nèi)隔離度提高了11 dB以上；文獻(xiàn)[2]通過(guò)刻蝕錐形槽阻斷天線之間的耦合電流，使天線在中心諧振頻率2.45 GHz處的隔離度達(dá)到了40 dB；文獻(xiàn)[3]在天線陣列的兩側(cè)刻蝕了一對(duì)帶有4個(gè)短截線的矩形槽，使天線隔離度在-10 dB工作頻段內(nèi)大于20.1 dB。第2種提高天線隔離度的方法是使用諧振器。文獻(xiàn)[4]在貼片天線陣列之間使用一對(duì)具有帶阻特性的平行耦合線諧振器，使天線在-10 dB工作頻段內(nèi)的隔離度提高了12 dB以上。第3種提高天線隔離度的方法是使用電磁帶隙結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[5]通過(guò)在輻射單元之間增加具有帶阻特性的分形UC-EBG，使天線端口之間的隔離度在-10 dB工作頻段內(nèi)提高了13 dB。上述文獻(xiàn)[1-5]設(shè)計(jì)的MIMO天線在單個(gè)頻段內(nèi)的隔離度得到提高。

對(duì)于多頻段MIMO天線，同時(shí)提高多個(gè)工作頻段內(nèi)的隔離度仍存在一定的困難。文獻(xiàn)[6]在“4”字型雙頻MIMO天線單元之間引入缺陷地結(jié)構(gòu)，使天線在803 MHz～823 MHz的較低工作頻段內(nèi)的隔離度達(dá)到17 dB以上；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種同時(shí)工作在2.4 GHz～2.5 GHz和4.9 GHz～5.725 GHz的MIMO縫隙天線，通過(guò)刻蝕矩形槽和L型槽阻斷天線之間的耦合電流，端口之間的隔離度在-10 dB工作頻段內(nèi)均大于12 dB；文獻(xiàn)[8]在倒F雙頻MIMO天線單元之間的接地板上刻蝕T型槽提高天線在較低頻段隔離度，并在T型槽中插入彎曲線諧振器來(lái)提高天線在較高頻段隔離度；文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)的多分支結(jié)構(gòu)的3頻MIMO天線低頻段采用對(duì)稱分布解耦，倒U型中和線與兩個(gè)天線單元相連，可以提高天線在中頻段的隔離度，U型中和線與兩條微帶線相連可以提高天線在較高頻段的隔離度，天線在中心諧振頻率2.3 GHz, 3.5 GHz和5.7 GHz時(shí)隔離度分別大于15 dB, 30 dB 和20 dB；文獻(xiàn)[10]在雙倒L型雙頻MIMO天線單元之間的接地板上引入T 型枝節(jié)，端口之間的隔離度在-10 dB工作頻段內(nèi)均大于18 dB。文獻(xiàn)[6-10]設(shè)計(jì)的MIMO天線在多頻段內(nèi)隔離度得到提高，但在多個(gè)工作頻段內(nèi)如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的隔離度仍需要進(jìn)一步研究。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于5G的n41, n78頻段、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的雙頻MIMO天線。通過(guò)在單極子天線單元上延伸出L型枝節(jié)產(chǎn)生新的諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)雙頻，并將兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的雙頻天線單元以對(duì)稱方式進(jìn)行放置。在天線單元之間的接地板上蝕刻一個(gè)C型槽和一個(gè)接地枝節(jié)來(lái)改善天線兩端口之間的隔離度，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，端口之間的隔離度在工作頻段內(nèi)分別大于22 dB, 20 dB。

1 雙頻MIMO天線的初始設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的適用于5G的n41, n78頻段的雙頻MIMO天線的初始結(jié)構(gòu)如圖1 所示。天線印刷在厚度為1.6mm的FR4介質(zhì)基板上，介質(zhì)基板的長(zhǎng)l、寬w分別為天線在X,Y方向上的長(zhǎng)度。MIMO天線由兩個(gè)相同的雙頻天線單元對(duì)稱放置，天線單元由50 Ω微帶線、長(zhǎng)度為l1的主支和長(zhǎng)度為l2+l3的L型分支組成，其中長(zhǎng)度為l1的主支激發(fā)高諧振，L型分支激發(fā)低諧振。初始MIMO天線的尺寸如表1 所示。

圖1 初始雙頻MIMO天線的結(jié)構(gòu)

表1 初始MIMO天線的尺寸

初始雙頻MIMO天線的S參數(shù)如圖2 所示，天線的-10 dB工作頻段為2.34 GHz～2.74 GHz和3.32 GHz～3.78 GHz，兩個(gè)工作頻段內(nèi)的隔離度分別大于17.8 dB, 10.3 dB，兩端口之間的隔離度較差。

圖2 初始雙頻MIMO天線的S參數(shù)

2 解耦結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

MIMO天線的設(shè)計(jì)過(guò)程如圖3 所示，首先在天線Ⅰ的接地板上蝕刻一個(gè)C型槽構(gòu)成天線Ⅱ。之后在天線Ⅱ單元之間的“凸形”接地板上加載一個(gè)矩形接地枝節(jié)構(gòu)成天線Ⅲ。解耦結(jié)構(gòu)的尺寸如表2 所示。

表2 解耦結(jié)構(gòu)的尺寸

2.1 缺陷地結(jié)構(gòu)

圖3 天線Ⅱ的接地板上刻蝕了一個(gè)外側(cè)深度為l4內(nèi)側(cè)深度為l5的C型槽，此時(shí)，C型缺陷地作為帶阻濾波器，改變了接地板上的電流分布，從而減少了由接地板上電流引起的相互耦合。

圖3 MIMO天線的設(shè)計(jì)過(guò)程

天線Ⅰ和天線Ⅱ的仿真S參數(shù)如圖4 所示。與天線Ⅰ相比，天線Ⅱ在2.6 GHz工作頻段內(nèi)端口之間的隔離度由17.8 dB提高到28 dB，在3.5 GHz工作頻段內(nèi)端口之間的隔離度由10.3 dB提高到16.2 dB。圖5 為天線Ⅰ和天線Ⅱ在2.6 GHz和3.5 GHz的表面電流分布，可以看出，耦合電流主要存在于C型缺陷地解耦結(jié)構(gòu)上，天線的隔離度得到提高。

圖4 天線Ⅰ和天線Ⅱ的S參數(shù)

圖5 天線Ⅰ和天線Ⅱ的表面電流分布

2.2 接地枝節(jié)

在圖3 天線Ⅱ的接地板上加載一條長(zhǎng)度為l6(約為天線在3.5 GHz處的1/4波長(zhǎng))的接地枝節(jié)，構(gòu)成天線Ⅲ，進(jìn)一步改善天線在較高工作頻段的隔離度。接地枝節(jié)引入了新的耦合電流對(duì)原來(lái)的耦合電流進(jìn)行削弱，此時(shí)天線Ⅲ在較高工作頻段內(nèi)的隔離度提高但影響了天線在較低工作頻段內(nèi)的隔離度。

天線Ⅱ和天線Ⅲ的仿真S參數(shù)如圖6 所示。與天線Ⅱ相比，天線Ⅲ在3.5 GHz工作頻段內(nèi)端口之間的隔離度由16.2 dB提高到22 dB。天線Ⅲ的-10 dB工作頻段為2.42 GHz～2.74 GHz和3.19 GGz～3.79 GHz，端口之間的隔離度在兩個(gè)工作頻段內(nèi)分別大于20 dB, 22 dB。圖7 為天線Ⅱ和天線Ⅲ在3.5 GHz的表面電流分布，可以看出，耦合電流主要存在于解耦結(jié)構(gòu)上，天線的隔離度得到提高。

圖6 天線Ⅱ和天線Ⅲ的S參數(shù)

圖7 天線Ⅱ和天線Ⅲ的表面電流分布

3 天線的測(cè)量結(jié)果

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)天線的性能以及仿真結(jié)果的正確性，按MIMO天線最終的模型進(jìn)行加工及測(cè)試。使用Agilent N5222A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量天線的S參數(shù)。設(shè)計(jì)天線的實(shí)物如圖8 所示。

(a)天線正面圖

設(shè)計(jì)天線的仿真與實(shí)測(cè)S參數(shù)如圖9 所示，仿真的-10 dB工作頻段為2.42 GHz～2.74 GHz和3.19 GHz～3.79 GHz。天線實(shí)測(cè)的工作頻段為2.55 GHz～2.75 GHz和3.28 GHz～3.85 GHz，與仿真結(jié)果相比，天線-10 dB工作頻段向高頻偏移、隔離度存在差異，這主要源于所選用的FR-4環(huán)氧玻璃布層壓板的介電常數(shù)與理論值存在偏差以及焊接加工過(guò)程誤差。此外，天線的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，通過(guò)在天線單元之間的接地板上蝕刻一個(gè)C型槽和一個(gè)接地枝節(jié)，使天線具有高隔離特性，端口之間的隔離度在工作頻段內(nèi)分別大于22 dB, 20 dB。

圖9 MIMO天線的仿真和測(cè)量S參數(shù)

在微波暗室中測(cè)試了不同頻率下的輻射方向圖。圖10 為MIMO天線的測(cè)試環(huán)境圖。圖11 為MIMO天線在2.6 GHz和3.5 GHz兩個(gè)頻率處的歸一化二維輻射方向圖。天線的歸一化二維輻射方向圖除個(gè)別方向發(fā)生畸變外，E面和H面的主極化形狀大體分別呈“8”字形和圓形，呈現(xiàn)較好的全向輻射特性。

圖10 MIMO天線的輻射方向圖測(cè)試

(a)2.6 GHz

表3 對(duì)比了本文天線和部分參考文獻(xiàn)中所設(shè)計(jì)天線的尺寸、工作頻段、相對(duì)帶寬以及隔離度。從對(duì)比結(jié)果可知，文獻(xiàn)[1]只在單個(gè)頻段內(nèi)隔離度得到提高。除文獻(xiàn)[7]外，本文天線尺寸最小。與文獻(xiàn)[6-9]中多頻段MIMO天線進(jìn)行對(duì)比，該天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、隔離度高的特點(diǎn)。

表3 MIMO天線的性能比較

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于5G的n41，n78頻段的雙頻MIMO天線。通過(guò)在單極子天線單元上延伸出L型枝節(jié)產(chǎn)生新的諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)雙頻，并將兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的雙頻天線單元以對(duì)稱方式進(jìn)行放置。在天線單元之間的接地板上蝕刻一個(gè)C型槽和一個(gè)接地枝節(jié)來(lái)改善天線兩端口之間的隔離度。天線實(shí)測(cè)結(jié)果表明，天線的-10 dB工作頻段為2.55 GHz～2.75 GHz和3.28 GHz～3.85 GHz，端口之間的隔離度在工作頻段內(nèi)分別大于22 dB, 20 dB。