一種結(jié)構(gòu)緊湊的高隔離度MIMO天線

黃 濤，楊雪霞

(上海大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，上海 200444)

0 引言

隨著5G/6G移動(dòng)通信的快速發(fā)展,人們對(duì)高速和高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笕找嬖黾?多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技術(shù)成為無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。MIMO系統(tǒng)在接收端和發(fā)射端采用多個(gè)天線,可以在不增加頻譜和功率資源的情況下,大幅度提高無線通信系統(tǒng)的信道容量[1-3]。然而,在尺寸受限的終端或便攜式設(shè)備中,天線單元的緊密排列會(huì)導(dǎo)致天線單元之間存在較高的互耦,從而降低MIMO性能。因此,設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)緊湊、單元間隔離度高的MIMO天線是非常重要的。

MIMO天線大多基于微帶貼片,相鄰貼片天線之間的互耦一般由地板上的表面電流和近場(chǎng)耦合引起[4]。為了解決這個(gè)問題,針對(duì)貼片MIMO天線提出了不同的去耦技術(shù),根據(jù)工作原理大致可以分為3種。

第一種去耦技術(shù)是阻斷和抑制天線單元之間的耦合電流,可以利用超表面結(jié)構(gòu)[5]、電磁帶隙[6]和缺陷地結(jié)構(gòu)[7-8]來實(shí)現(xiàn)。超表面結(jié)構(gòu)和電磁帶隙具有明顯的解耦效果,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占用空間大。缺陷地結(jié)構(gòu)能有效阻擋表面波,然而,刻蝕的縫隙會(huì)產(chǎn)生額外的后向輻射,從而惡化輻射性能。

第二種去耦技術(shù)是應(yīng)用分集方法降低多天線間的相關(guān)性,包括空間分集[9]、方向圖分集[10]和極化分集[11]。這些方法通常需要較大的單元間距,或者隔離度提升有限。

第三種去耦技術(shù)是引入一個(gè)新的耦合路徑來抵消原來的耦合,可以通過中和線[12-14]和寄生枝節(jié)[15-18]來實(shí)現(xiàn)。然而,中和線會(huì)影響天線的性能,增加設(shè)計(jì)的難度。寄生枝節(jié)通常需要較大的單元間距和復(fù)雜的去耦結(jié)構(gòu)。

基于以上問題,本文提出一種緊湊型的高隔離度MIMO天線。該天線具有結(jié)構(gòu)緊湊、剖面低和單元間隔離度高的特性,適用于未來5G移動(dòng)終端。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所提出的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示,天線僅由一層F4BX220介質(zhì)板構(gòu)成,相對(duì)介電常數(shù)為2.2,損耗角正切為0.001 5,整體尺寸為85 mm×45 mm×1.5 mm。2個(gè)方形輻射貼片位于介質(zhì)板的上表面,且邊到邊間距僅有1 mm(0.011λ0,λ0為天線中心頻率對(duì)應(yīng)自由空間的波長(zhǎng)),并由同軸探針直接饋電,介質(zhì)板的下表面是接地面。U型枝節(jié)放置在2個(gè)天線單元的上下兩側(cè),其與方形貼片之間的距離為0.75 mm(0.008λ0)。

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

利用HFSS仿真軟件構(gòu)建天線模型并對(duì)天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化,最終得到的天線幾何尺寸如表1所示。

表1 天線尺寸

由于2個(gè)天線單元間的邊到邊距離非常小,僅有0.011λ0,導(dǎo)致天線單元間的耦合較大,需要進(jìn)行去耦設(shè)計(jì)以獲得性能良好的天線。天線的去耦設(shè)計(jì)過程如圖2所示。為了提高天線的隔離度,首先是在原有天線的基礎(chǔ)上引入了矩形金屬條,形成天線1。去耦原理是當(dāng)矩形金屬條的長(zhǎng)度約等于半個(gè)介質(zhì)波長(zhǎng)時(shí),其表面會(huì)產(chǎn)生與主輻射貼片表面電流方向相反的電流,從而產(chǎn)生反相的場(chǎng),以削弱2個(gè)天線單元間的耦合,提高隔離度。

(a)天線1

(b)天線2

上述去耦結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,去耦效果也很好,但是僅適用于二元貼片天線陣。因?yàn)榫匦谓饘贄l的長(zhǎng)度約等于半個(gè)介質(zhì)波長(zhǎng)才能起到去耦作用,一旦天線陣列擴(kuò)大,需要引入多個(gè)矩形金屬條,各個(gè)矩形金屬條之間就會(huì)發(fā)生重疊,去耦結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞。因此,需要對(duì)該去耦結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的改進(jìn)。通過彎折的方式以延長(zhǎng)電流路徑,將矩形金屬條改進(jìn)成U型枝節(jié),形成天線2。貼片和U型枝節(jié)表面電流的方向如圖3所示,當(dāng)U型枝節(jié)的總長(zhǎng)度約等于半個(gè)介質(zhì)波長(zhǎng)時(shí),同樣會(huì)產(chǎn)生一條等幅反相的新耦合路徑來抵消或削弱原來的耦合,起到與原矩形金屬條相同的去耦效果,該結(jié)構(gòu)不僅適用于二元陣,也可應(yīng)用于多元貼片天線陣列的解耦。

圖3 端口1激勵(lì)時(shí)貼片和U型枝節(jié)表面電流方向Fig.3 Surface current direction of the patch and the U-shaped branch when excited by port 1

在有和沒有U型枝節(jié)的情況下,對(duì)貼片表面電流的分布進(jìn)行了仿真,如圖4所示。當(dāng)左側(cè)的天線單元被激勵(lì)時(shí),未引入U(xiǎn)型枝節(jié)的右側(cè)天線單元上產(chǎn)生了強(qiáng)烈的耦合電流,而引入U(xiǎn)型枝節(jié)的右側(cè)天線單元上幾乎沒有產(chǎn)生耦合電流,說明該去耦結(jié)構(gòu)具有良好的隔離效果。有無U型枝節(jié)的隔離度仿真曲線如圖5所示,可以看出,引入U(xiǎn)型枝節(jié)可將天線頻段內(nèi)單元隔離度從6 dB提高到22 dB,在中心頻率處的隔離度達(dá)到了30 dB。

圖4 端口1激勵(lì)時(shí)貼片表面電流分布Fig.4 Surface current distribution of the patch when exited by port 1

該去耦方法是通過在U型枝節(jié)上產(chǎn)生等幅反向的新耦合場(chǎng),以削弱或抵消原耦合,新耦合場(chǎng)會(huì)對(duì)天線的輻射造成一定的干擾,導(dǎo)致天線增益和輻射效率略有下降。有無U型枝節(jié)的增益頻響曲線如圖6所示,引入U(xiǎn)型枝節(jié)后,天線峰值增益為6.3 dBi,相比未引入U(xiǎn)型枝節(jié),增益下降了0.6 dBi。天線輻射效率變化曲線如圖7所示,在工作頻帶范圍內(nèi),有無U型枝節(jié)的天線最大輻射效率分別為95.5%和96.9%?？梢奤型枝節(jié)對(duì)天線增益和輻射效率產(chǎn)生的影響很小。

圖5 有無U型枝節(jié)的隔離度仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of isolation with and without U-shaped branch

圖6 增益頻響曲線Fig.6 The gain-frequency curve

圖7 輻射效率頻響曲線Fig.7 The radiation efficiency-frequency curve

2 天線仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

本文利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)天線的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行了仿真,為了驗(yàn)證天線的實(shí)際性能,對(duì)設(shè)計(jì)的MIMO天線進(jìn)行了加工制作,并利用微波暗室和型號(hào)為N5227矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。綜合天線的測(cè)試結(jié)果,討論了天線的各項(xiàng)性能。天線實(shí)物如圖8所示。

(a)天線正面

(b)天線背面

2.1 S參數(shù)

天線仿真和實(shí)測(cè)的S參數(shù)隨頻率變化曲線如圖9所示。仿真得到的天線|S11|<-10 dB帶寬為3.475～3.525 GHz,實(shí)測(cè)結(jié)果為3.475～3.520 GHz。仿真隔離度在整個(gè)匹配帶寬內(nèi)高于22 dB,實(shí)測(cè)隔離度高于21.5 dB。實(shí)測(cè)與仿真存在的微小偏差主要來源于加工和實(shí)測(cè)引入的誤差。該天線在反射系數(shù)和隔離度方面的實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果均能滿足實(shí)際工程的要求,有著良好的性能。

圖9 天線仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.9 Simulated and measured results of the antenna

2.2 輻射性能

二元貼片天線在3.5 GHz處的仿真和實(shí)測(cè)輻射方向圖如圖10和圖11所示。在E面,由于相鄰貼片單元對(duì)主輻射貼片單元起到引相器的作用,2個(gè)天線單元的輻射方向圖都呈現(xiàn)出輕微的非對(duì)稱性。天線的仿真和實(shí)測(cè)增益分別約為6.3、5.9 dBi。仿真和實(shí)測(cè)交叉極化分別為-43、-40 dBi。在H面,2個(gè)天線單元的輻射方向圖對(duì)稱且相同。天線的仿真和實(shí)測(cè)增益分別約為6.2、5.8 dBi。仿真和實(shí)測(cè)交叉極化分別為-42、-37 dBi。

圖10 端口1激勵(lì)時(shí)天線仿真和實(shí)測(cè)輻射方向圖Fig.10 Simulated and measured results of radiation pattern excited by port 1

圖11 端口2激勵(lì)時(shí)天線仿真和實(shí)測(cè)輻射方向圖Fig.11 Simulated and measured results of radiation pattern excited by port 2

天線增益及輻射效率的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果如圖12所示。

圖12 天線仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.12 Simulated and measured results of the antenna

由于轉(zhuǎn)接頭損耗和線纜損耗,天線實(shí)測(cè)增益和輻射效率略低于仿真值。在頻帶范圍內(nèi),天線仿真增益為6.1～6.3 dBi,實(shí)測(cè)增益為5.7～5.9 dBi,天線仿真輻射效率為94.2%～95.5%,實(shí)測(cè)輻射效率為93.1%～94.2%。

2.3 ECC曲線圖

由于收發(fā)兩端多天線組成的信道可能是相關(guān)或者不相關(guān)的,相關(guān)性的程度會(huì)極大地影響MIMO天線的接收性能。為了在研究中更直觀地討論天線的相關(guān)性,工程上通常使用包絡(luò)相關(guān)系數(shù)作為衡量MIMO系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。一般,低包絡(luò)相關(guān)性表現(xiàn)出高分集增益。包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(Envelope Correlation Coefficient,ECC)可由S參數(shù)通過下式計(jì)算得到:

(1)

由于端口的對(duì)稱性,S11和S12分別與S22和S21近似,將仿真和實(shí)測(cè)得到的S參數(shù)分別代入式(1),最終的ECC曲線如圖13所示。在工作頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了仿真ECC小于0.006和實(shí)測(cè)ECC小于0.008的優(yōu)異分集性能。

圖13 ECC的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.13 Simulated and measured results of ECC

3 多天線陣列的解耦

所提出的1×4貼片陣列結(jié)構(gòu)如圖14所示。相鄰單元之間的邊距僅為1 mm(0.011λ0),通過在每組相鄰單元兩側(cè)引入U(xiǎn)型枝節(jié),實(shí)現(xiàn)了良好的互耦抑制性能。

(a)陣列透視圖

(b)陣列俯視圖

天線陣列仿真結(jié)果如圖15所示。天線|S11|<-10 dB帶寬為3.475～3.520 GHz。相鄰單元之間的隔離度從6 dB提高到20 dB,非相鄰單元間隔離度均高于23 dB。由于貼片單元兩側(cè)緊密排布的影響,四元陣的隔離度相比于二元陣略有惡化,但仍能滿足MIMO天線隔離度高于15 dB的要求。

圖15 四元天線陣仿真結(jié)果Fig.15 Simulated results of quaternary antenna array

4 結(jié)束語

本文提出了一種結(jié)構(gòu)緊湊的高隔離度MIMO天線,通過引入2個(gè)簡(jiǎn)單的U型枝節(jié)以產(chǎn)生與原耦合相抵消的新耦合路徑,從而提高天線單元間的隔離度。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,在3.475～3.520 GHz的匹配帶寬內(nèi),所提出的去耦方案可將天線隔離度從6 dB提高到22 dB以上,且天線單元邊到邊的距離僅有0.011λ0,ECC小于0.008。通過仿真驗(yàn)證,此去耦結(jié)構(gòu)也可應(yīng)用于多天線陣列的解耦。該MIMO天線有著結(jié)構(gòu)緊湊、剖面低和單元間隔離度高的優(yōu)良特性,適用于5G移動(dòng)終端。