小型化超寬帶多輸入多輸出天線的設(shè)計(jì)

荀一峰，韓麗萍

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

0 引言

超寬帶（UWB）技術(shù)憑借高數(shù)據(jù)傳輸速率、抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中［1］。而由于UWB 技術(shù)的低發(fā)射功率，UWB 技術(shù)也廣泛地應(yīng)用在短距離無線通信領(lǐng)域，但會(huì)使通信質(zhì)量降低，多徑衰落嚴(yán)重。使用多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)可以提升信道容量［2-3］，克服多徑衰落［4-5］。近年來，研究者們將UWB 技術(shù)與MIMO 技術(shù)相結(jié)合，逐漸發(fā)展為超寬帶多輸入多輸出（UWB-MIMO）技術(shù)［6］。天線對(duì)于無線通信系統(tǒng)來說尤為重要，UWB-MIMO 天線也成為近年來研究者們研究天線的熱點(diǎn)之一［7-8］。基于UWBMIMO 天線隔離度的需求，天線單元距離一般需超過中心頻率的1/2 波長(zhǎng)，使得天線尺寸較大，無法滿足現(xiàn)代的小型化通信設(shè)備［9-10］。如何在滿足UWB-MIMO 天線隔離度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)天線小型化，成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重要方向。

現(xiàn)階段改善小型化UWB-MIMO 天線隔離度的方法有加載解耦枝節(jié)［11-14］、中和線結(jié)構(gòu)［15］、缺陷地結(jié)構(gòu)［16］和EBG 結(jié)構(gòu)［17］等。文獻(xiàn)［13］在地板上加載T 型枝節(jié)并刻蝕二階希爾伯特分形槽，天線在2.56 GHz～19.74 GHz 工作頻帶的隔離度大于15 dB，尺寸為0.31λg×0.51λg。文獻(xiàn)［15］采用缺陷地結(jié)構(gòu)，在輻射貼片刻蝕Minkowski 分形槽，輻射單元間加載希爾伯特分形中和線，天線在3.05 GHz～13.50 GHz 工作頻帶的隔離度大于15 dB，尺寸為0.57λg×0.70λg。文獻(xiàn)［16］在地板上刻蝕T 型縫隙和矩形縫隙，改善隔離度和阻抗匹配，天線工作在3.1 GHz～10.6 GHz，隔離度大于18 dB，尺寸為0.48λg×0.56λg。文獻(xiàn)［17］通過在天線單元間加載EBG 結(jié)構(gòu)，改善了隔離度，天線工作在2.5 GHz～12.0 GHz，隔離度大于15 dB，尺寸為0.47λg×0.47λg。以上文獻(xiàn)中天線隔離度都達(dá)到15 dB，但天線尺寸較大。在保持天線隔離度的前提下實(shí)現(xiàn)天線的小型化仍然是天線設(shè)計(jì)的迫切需求。

本文設(shè)計(jì)了一種小型化二端口超寬帶MIMO 天線。該天線由兩個(gè)加載C 型枝節(jié)的小型化超寬帶單極子對(duì)稱放置組成。在階梯型饋線兩側(cè)刻蝕一對(duì)矩形縫隙，實(shí)現(xiàn)天線單元小型化。地板刻蝕矩形槽，縫隙中加載T 型枝節(jié)，在T 型枝節(jié)兩側(cè)加載彎折線結(jié)構(gòu)，提高天線隔離度。測(cè)量結(jié)果表明，該天線帶寬為2.5 GHz～10.8 GHz，隔離度大于17 dB，尺寸僅為25 mm×33 mm×1 mm，適合現(xiàn)代小型化超寬帶通信設(shè)備。

1 超寬帶MIMO 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)

圖1 為天線結(jié)構(gòu)示意圖。該天線采用的饋電方式為共面波導(dǎo)饋電，由兩個(gè)對(duì)稱放置的正七邊形單極子組成。在輻射貼片上加載C 型枝節(jié)，并在階梯型饋線兩側(cè)的地板上刻蝕一對(duì)矩形縫隙，實(shí)現(xiàn)超寬帶；接地板刻蝕矩形縫隙，縫隙中加載T 型枝節(jié)，在T 型枝節(jié)兩側(cè)加載彎折線結(jié)構(gòu)，改善了隔離度。天線采用FR4 介質(zhì)基板，相對(duì)介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.02，厚度為1 mm。仿真優(yōu)化后的幾何參數(shù)如表1 所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the proposed antenna

1.2 天線隔離度改善

圖2 為天線隔離度改善過程，Ant1 由兩個(gè)超寬帶單極子單元對(duì)稱放置組成MIMO 天線；Ant2 在中間地板刻蝕矩形縫隙，在縫隙中加載T 型枝節(jié)；Ant3 為本文所提出的二端口MIMO天線。圖3 給出了圖2 中MIMO 天線的S參數(shù)曲線。如圖所示，在天線演進(jìn)過程中，-10 dB阻抗帶寬變化不明顯。Ant1 在工作頻帶范圍內(nèi)隔離度大于5 dB。Ant2 在地板刻蝕矩形縫隙，在縫隙中加載T 型枝節(jié)，整個(gè)工作頻段范圍內(nèi)隔離度均大于13 dB。Ant3 在T 型枝節(jié)兩側(cè)加載彎折線結(jié)構(gòu)，天線在2.5 GHz～3.5 GHz頻段隔離度得到改善，工作頻段范圍內(nèi)隔離度均大于17 dB。最終Ant3 的工作頻帶為2.5 GHz～10.8 GHz，工作頻帶范圍內(nèi)的隔離度大于17 dB。

圖2 天線隔離度改善過程Fig.2 Improved isolation process of antenna

圖3 圖2中天線的S參數(shù)圖Fig.3 S parameters of antenna in Figure 2

為了進(jìn)一步解釋T 型枝節(jié)和彎折線結(jié)構(gòu)改善隔離度原理，對(duì)天線表面電流分布進(jìn)行研究。圖4 給出了MIMO 天線在3 GHz 和7 GHz下的表面電流分布，端口1 被激勵(lì)，端口2 接50 Ω 匹配負(fù)載。如圖所示，Ant1 在3 GHz 和7 GHz時(shí)，端口2 存在較強(qiáng)耦合電流；Ant2 在3 GHz 和7 GHz 時(shí)，端口2 耦合電流明顯減少；在T 型枝節(jié)兩側(cè)加載彎折線結(jié)構(gòu)演進(jìn)為Ant3，在3 GHz時(shí)，端口2 耦合電流進(jìn)一步減少。綜上所述，加載T 型枝節(jié)可以改善整個(gè)工作頻段范圍內(nèi)的隔離度，加載彎折線結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高低頻段的隔離度。

圖4 天線表面電流分布圖Fig.4 Surface current distribution of antenna

2 參數(shù)分析

通過對(duì)所設(shè)計(jì)天線進(jìn)行敏感性分析，發(fā)現(xiàn)T 型垂直枝節(jié)長(zhǎng)度w7，彎折線的長(zhǎng)度ls（2×l5+5×l4+6×w5）對(duì)天線單元間隔離度產(chǎn)生較大影響。

圖5 給出了不同T 型垂直枝節(jié)長(zhǎng)度w7對(duì)天線S參數(shù)的影響。由圖5 可知，隨著w7的增大，天線-10 dB 阻抗帶寬幾乎不變，天線單元間隔離度先變好后變差。當(dāng)w7從23.6 mm 增加到23.8 mm 時(shí)，工作頻段范圍內(nèi)隔離度從10 dB 增加到17 dB；進(jìn)一步增加w7到24 mm 時(shí)，3.0 GHz～5.5 GHz 頻段和6.5 GHz～8.5 GHz 頻段隔離度明顯降低。圖6 為彎折線長(zhǎng)度ls變化時(shí)的S參數(shù)。從圖中可以看出，隨著ls的增大，天線-10 dB 阻抗帶寬幾乎不變，彎折線長(zhǎng)度主要影響天線低頻段隔離度，2.5 GHz～4.0 GHz 頻段天線單元間隔離度先變好后變差。當(dāng)ls從43.5 mm 增加到45.4 mm 時(shí)，工作頻段范圍內(nèi)隔離度從11 dB增加到14.5 dB；進(jìn)一步增加ls到47.3 mm 時(shí)，2.5 GHz～4.0 GHz 頻帶范圍內(nèi)隔離度均大于20 dB。

圖5 不同w7對(duì)S參數(shù)的影響Fig.5 Effects of different w7 on S parameter

圖6 不同ls對(duì)S參數(shù)的影響Fig.6 Effects of different ls on S parameter

3 結(jié)果與討論

圖7 給出了所設(shè)計(jì)天線實(shí)物圖，該天線印制于FR4 介質(zhì)基板上，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試所設(shè)計(jì)天線的S參數(shù)，使用自動(dòng)天線測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試所設(shè)計(jì)天線在E 面和H 面的二維輻射方向圖。

圖7 天線實(shí)物圖Fig.7 Photograph of antenna

圖8 為天線仿真和測(cè)試的S參數(shù)曲線。從圖中可以看出，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。測(cè)試的工作頻帶為2.5 GHz～10.8 GHz，天線隔離度大于17 dB，表明天線在超寬帶范圍內(nèi)具有良好的隔離度。

圖8 仿真和實(shí)測(cè)S參數(shù)圖Fig.8 Simulated and measured S-parameter curves

圖9 給出了端口1 在4 GHz、7 GHz、10 GHz時(shí)的天線輻射方向圖，仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果基本一致，天線的輻射性能良好，表現(xiàn)為全向輻射。圖10 中給出了MIMO 天線仿真和實(shí)測(cè)的增益曲線。如圖所示，仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)量的增益曲線大致吻合，可以看出增益在0.2 dB～5.5 dB 之間波動(dòng)。

圖9 天線輻射方向圖Fig.9 Pattern of antenna Radiation

圖10 仿真和實(shí)測(cè)天線增益曲線Fig.11 Simulation and measurement gain curves of antenna

對(duì)MIMO 天線而言，包絡(luò)相關(guān)系數(shù)可以用來說明其天線單元之間的相關(guān)性，較低的ECC則說明了該MIMO 天線具有較高的分集增益［18］，可接受的ECC 范圍一般小于0.3。ECC由下式計(jì)算

其結(jié)果如圖11 所示。本文天線的ECC 使用公式（1）加以計(jì)算。可以發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)工作頻段范圍內(nèi)，該天線的ECC 均小于0.005，說明該天線單元之間存在較低的相關(guān)性，并具備良好的分集特性。

圖11 天線的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)Fig.11 Envelope correlation coefficient of antenna

最后，表2 給出了本文和文獻(xiàn)中超寬帶MIMO 天線的性能對(duì)比。由表可知，本文天線尺寸最小，隔離度僅小于文獻(xiàn)［16］。與文獻(xiàn)［16］中天線相比，本文天線的阻抗帶寬拓展為2.5 GHz～10.8 GHz，增益高達(dá)5.5 dB。綜上所述，本文天線覆蓋超寬帶頻帶范圍，天線性能最優(yōu)。

表2 小型化超寬帶MIMO天線的性能對(duì)比Table 2 Performance comparison of miniaturized UWB MIMO antennas

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種小型化二端口超寬帶MIMO 天線。所設(shè)計(jì)MIMO 天線的工作頻帶是2.5 GHz～10.8 GHz，該頻帶范圍內(nèi)的隔離度大于17 dB。天線的ECC 都小于0.005，表明該天線具備良好的分集性能。為便攜式超寬帶通信系統(tǒng)提供了很好地選擇。