一種應(yīng)用于WLAN的2×2 MIMO定向天線設(shè)計(jì)

權(quán) 威,閆 姝,權(quán)建軍

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730060)

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展, WLAN(無線局域網(wǎng)絡(luò))已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到了各行各業(yè),各種場景中。在教室、宿舍、辦公樓、醫(yī)院、商場、體育館等室內(nèi)應(yīng)用場景,WLAN終端用戶可以通過AP(無線接入點(diǎn))接入有線網(wǎng)絡(luò), AP設(shè)備通常采用吸頂方式安裝,通過全向天線實(shí)現(xiàn)信號覆蓋;而在廣場、景區(qū)、工廠、樓宇間等室外應(yīng)用場景,用于信號覆蓋的AP設(shè)備或用于無線橋接的網(wǎng)橋設(shè)備通常采用壁掛方式安裝,通過定向天線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信[1]。WLAN主要使用2.4GHz頻段和5GHz頻段。相對于2.4GHz頻段,5GHz頻段干擾較少,帶寬更寬,已廣泛應(yīng)用于室外信號覆蓋、遠(yuǎn)距離高清視頻監(jiān)控?zé)o線回傳等場景,而小型化定向輻射的天線在此類WLAN應(yīng)用場景中顯得至關(guān)重要,基于此,一些天線方案被提出,比如使用全向天線加反射板形成定向天線[2-3],使用微帶貼片結(jié)構(gòu)[4-5]、倒F結(jié)構(gòu)[6-7]等設(shè)計(jì)定向天線等,但這些天線尺寸偏大不易內(nèi)置于小型化設(shè)備中,且增益較低,傳輸距離有限。

基于以上研究,本文提出并設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于WLAN 5GHz頻段的2×2 MIMO定向天線,該天線具有結(jié)構(gòu)簡單,尺寸小,增益高的特點(diǎn)。

1 天線陣列結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

1.1 單元天線的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

單元天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示,介質(zhì)基板為FR4 PCB,其介電常數(shù)εr=4.4,損耗角正切為0.02,尺寸為70mm×70mm,厚度為1mm,基板的底面覆銅作為接地面GND,基板上面布放天線陣列。本設(shè)計(jì)選擇結(jié)構(gòu)簡單,易加工制作的環(huán)形單級子天線作為天線單元進(jìn)行設(shè)計(jì)。環(huán)形單級子天線由輻射環(huán),接地條和饋電片三部分組成,其中,輻射環(huán)呈矩形狀并與介質(zhì)基板平行,與介質(zhì)基板的距離為8mm;接地條一端與輻射環(huán)缺口的左邊垂直相連、另一端與GND面垂直相連;饋電片一端與輻射環(huán)缺口的右邊垂直相連、另一端垂直至于介質(zhì)基板上面,采用底饋方式饋電,饋電同軸內(nèi)導(dǎo)體連接饋電片,外導(dǎo)體連接GND面。

圖1 單元天線結(jié)構(gòu)

根據(jù)天線理論[8],環(huán)形單級子天線在半波長的整數(shù)倍(即λg/2,λg,3λg/2,2λg…)處產(chǎn)生諧振而向空間輻射電磁能量。因環(huán)形單級子天線在λg/2處諧振時(shí),所產(chǎn)生的的帶寬較窄,所以選擇環(huán)形單級子天線的λg處的諧振模式設(shè)計(jì)單元天線,其可完全覆蓋WLAN 5GHz的工作頻段(即5.15GHz至5.85GHz)。

使用電磁仿真軟件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),如圖2所示,得到該單元天線在WLAN 5GHz工作頻段內(nèi)的駐波比小于2;如圖3所示,得到該天線在中心頻點(diǎn)處增益為8dBi。

圖2 單元天線的駐波比

圖3 單元天線的輻射方向圖

1.2 二元陣列天線的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

根據(jù)陣列天線理論,將若干個(gè)單元天線按照一定的間距排列組成均勻直線陣列,可以增強(qiáng)天線的方向性,從而提高天線的增益。根據(jù)本設(shè)計(jì)中介質(zhì)基板的尺寸限制,使用前述所設(shè)計(jì)的兩個(gè)環(huán)形單級子天線組成二元天線陣列。

如圖4所示,陣元1與陣元2相對布放,為了降低陣元之間電磁能量的互相耦合對天線輻射的影響,兩個(gè)陣元之間的距離為設(shè)置為0.73λ0。

圖4 單元天線的輻射方向圖

陣元1與陣元2采用同幅同相方式饋電,使用電磁仿真軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),如圖5所示,得到二元陣列天線的兩個(gè)單元天線,陣元1與陣元2在WLAN 5GHz的工作頻段內(nèi)的隔離度大于20dB;如圖6所示,得到二元陣列天線在中心頻點(diǎn)處的增益達(dá)到11dBi。

圖5 陣元1與陣元2之間的隔離度

圖6 二元陣列天線的輻射方向圖

1.3 2×2 MIMO定向天線的結(jié)構(gòu)

根據(jù)MIMO通信原理,相對于SISO系統(tǒng),MIMO系統(tǒng)可以成倍的提升信道容量,從而提升系統(tǒng)的吞吐量。在WLAN 5GHz頻段遠(yuǎn)距離定向覆蓋、橋接等應(yīng)用場景中,通常使用2×2 MIMO無線傳輸系統(tǒng)。如圖7所示,將兩組前述所設(shè)計(jì)的二元陣列天線相互交叉垂直布放,即組成2×2 MIMO天線。

圖7 2×2MIMO天線結(jié)構(gòu)

2 饋電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

2.1 微帶傳輸線的結(jié)構(gòu)

微帶傳輸線因?yàn)榫哂畜w積小、重量輕、頻帶較寬、易于集成等特點(diǎn),所以被廣泛應(yīng)用于各種微波系統(tǒng)中。如圖8所示,微帶傳輸線主要由金屬導(dǎo)體帶、介質(zhì)基板和接地板GND三部分組成。其中,金屬導(dǎo)體帶的寬度為w,厚度為t;介質(zhì)基板的介電常數(shù)為εr,厚度為h。

圖8 微帶傳輸線結(jié)構(gòu)

2.2 T形一分二微帶功分器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

由于2×2 MIMO天線的每個(gè)天線陣列都由兩個(gè)陣元組成,所以需要設(shè)計(jì)一分二功分器對天線進(jìn)行饋電[9]。本文基于微帶傳輸線設(shè)計(jì)T形一分二功分器,其結(jié)構(gòu)如圖9所示,功分器由La、Lb1、Lb2、Lc1、Lc2等5段微帶傳輸線組成。其中,La段為輸入端口,Lc1和Lc2為兩個(gè)輸出端口。

圖9 T型一分二微帶功分器的結(jié)構(gòu)

根據(jù)微帶功分器理論,La、Lc1、Lc2三段微帶線的特性阻抗為50Ω,Lb1、Lb2兩段微帶線的特性阻抗為70.7Ω,長度為0.25λg。本文功分器布放在天線基板上,由前文所述,介質(zhì)基板為FR4 PCB,其介電常數(shù)εr=4.4,厚度為1mm。根據(jù)微帶傳輸線理論,可以計(jì)算得到La、Lc1、Lc2三段微帶線的寬度w1=w3=1.87mm,Lb1、Lb2兩段微帶線的寬度w1=0.99mm。

使用電磁仿真軟件對T型一分二微帶功分器進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),如圖10所示,得到功分器在WLAN 5.8GHz工作頻段內(nèi)的回波損耗小于-10dB;如圖11所示,得到功分器兩個(gè)輸出端口實(shí)現(xiàn)3dB等功率分配。

圖10 T型一分二微帶功分器輸入端口駐波比

圖11 T型一分二微帶功分器輸出端口的功率分配

2.3 2×2 MIMO定向天線饋電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

如圖12所示,根據(jù)2×2 MIMO定向天線陣元在介質(zhì)基板上的布放位置,功分器1直接設(shè)計(jì)在介質(zhì)基板上面,功分器2使用另外一小塊FR4 PCB板設(shè)計(jì),并放置于天線基板背面。

圖12 功分器在介質(zhì)基板上的布放位置

3 2×2 MIMO定向天線與饋電網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合設(shè)計(jì)

2×2 MIMO定向天線與饋電網(wǎng)絡(luò)的完整天線結(jié)構(gòu)如圖13所示,功分器1的兩個(gè)輸出端口分別與陣元1和陣元2的饋電片相連,形成2×2 MIMO定向天線的垂直天線組;天線介質(zhì)基板的接地面GND在陣元3和陣元4的饋電片位置處進(jìn)行開窗設(shè)計(jì),功分器2的兩個(gè)輸出端口穿過GND面的開窗與陣元3和陣元4的饋電片相連,形成2×2 MIMO定向天線的水平天線組。

圖13 完整天線結(jié)構(gòu)圖

使用電磁仿真軟件對2×2 MIMO定向天線與饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)合仿真設(shè)計(jì),如圖14所示,得到垂直天線組和水平天線組在WLAN 5GHz工作頻段內(nèi)的回波損耗小于-10dB,隔離度大于20dB;如圖15所示,垂直天線組和水平天線組在中心頻點(diǎn)處的增益達(dá)到10.5dBi,這是由于功分器的引入產(chǎn)生了損耗,相對于無功分器仿真的結(jié)果,天線的增益有所降低。

圖14 2×2 MIMO定向天線的S參數(shù)

圖15 2×2 MIMO定向天線的輻射方向圖

4 結(jié)論

1)面對WLAN遠(yuǎn)距離定向覆蓋,定向橋接和WLAN設(shè)備小型化,天線可內(nèi)置集成的需求,提出并設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于WLAN 5GHz頻段的2×2 MIMO定向天線。該天線由FR4 PCB介質(zhì)基板、4個(gè)環(huán)形單級子天線陣元和2個(gè)T型一分二微帶功分器組成,天線整體結(jié)構(gòu)尺寸為70mm×70mm×9mm,可便于集成于WLAN設(shè)備之中。

2)使用電磁仿真軟件對2×2 MIMO定向天線的各組件進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì),得到了環(huán)形單級子陣元和T型一分二微帶功分器的結(jié)構(gòu)尺寸及工作性能的參數(shù)結(jié)果,并且對2×2 MIMO定向天線于饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果顯示兩組天線在WLAN 5GHz工作頻段內(nèi)的回波損耗小于-10dB,隔離度大于20dB,且在中心頻點(diǎn)處的增益達(dá)到10.5dBi,表明該2×2 MIMO定向天線具有良好的應(yīng)用前景。