具有高隔離度的緊湊型三陷波UWB-MIMO 天線設(shè)計(jì)

南敬昌 潘俊汝 高明明 韓欣欣 劉婧

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

0 引 言

現(xiàn)代通信技術(shù)在更替的同時(shí)，也推動(dòng)了天線的更迭與發(fā)展.天線不但要求頻段利用率高，更要求傳輸速率快、傳輸質(zhì)量高，利用超寬帶 (ultra-wideband,UWB)技術(shù)與多輸入多輸出（multiple-input multipleoutput, MIMO）技術(shù)結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)上述要求.MIMO技術(shù)使得多個(gè)天線單元能同時(shí)在系統(tǒng)發(fā)送端和接收端進(jìn)行信號(hào)傳輸[1-4].同時(shí)，UWB 頻段（聯(lián)邦通信委員會(huì)規(guī)定的商用UWB 頻段為3.1～10.6 GHz）覆蓋生活中很多常用頻段，UWB 技術(shù)雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但工作頻段間存在一定的交叉重合，極有可能和UWB 通信系統(tǒng)發(fā)生干擾[5-9]，所以需要盡可能減小部分窄帶頻段的電磁干擾.而擁有陷波特性的UWBMIMO 天線能夠有效提升無(wú)線系統(tǒng)的容量和速率[10-15]，也可以有效抑制在傳輸過(guò)程中發(fā)生的多徑效應(yīng)，無(wú)論是在5G 時(shí)期還是未來(lái)6G、7G 時(shí)期，對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展都有著深遠(yuǎn)影響.因此，設(shè)計(jì)一種工作頻段較寬并具有陷波性能的MIMO 天線是極有必要的[16-18].

多年來(lái)，通常對(duì)天線表面進(jìn)行開(kāi)槽、刻蝕以及采用漸變結(jié)構(gòu)等技術(shù)使天線進(jìn)行有效饋電，而提高天線兩單元之間隔離度的方法有中和線去耦、設(shè)置缺陷地去耦、電磁帶隙（electromagnetic band gap, EBG）去耦以及在接地板上添加枝節(jié)等[19-22].文獻(xiàn)[15]采用電磁帶隙結(jié)構(gòu)去耦，使天線單元間的隔離度低于?17.5 dB，并引入了一個(gè)以4.6 GHz 為中心頻點(diǎn)的陷波頻段.文獻(xiàn)[16]在接地板引入倒L 型縫隙，使得天線隔離度最終達(dá)到?22 dB，將天線對(duì)稱放置并在天線輻射貼片上刻蝕兩個(gè)倒“L”型縫隙引入陷波，來(lái)抑制WLAN頻段和IEEE INSAT/超長(zhǎng)C 波段（6.3～7.27 GHz）.文獻(xiàn)[18]在接地板上刻蝕出I 型槽與圓槽相結(jié)合的結(jié)構(gòu)進(jìn)行去耦，隔離度小于?20 dB，并實(shí)現(xiàn)了WLAN 和X 上行頻段的雙陷波頻段.文獻(xiàn)[19]在WiMAX（3.4～3.7 GHz）和WLAN（5.15～5.35 和5.725～5.825 GHz）頻段引入兩個(gè)陷波，且隔離度低于?15 dB.總體來(lái)說(shuō)，UWB-MIMO 天線在保持尺寸緊湊的前提下，實(shí)現(xiàn)多個(gè)陷波的同時(shí)最大限度降低兩單元之間的互耦是一個(gè)復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程，現(xiàn)有的很多MIMO 天線雖然在固定頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)基本要求，但是更加需要提高單元隔離度、濾除更多干擾頻段，實(shí)現(xiàn)二者關(guān)系的最優(yōu)化平衡依舊是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作.

本文提出了一種具有高隔離度的緊湊型三陷波UWB-MIMO 天線，在保證天線的工作頻段能覆蓋UWB 頻段的前提下，維持了天線結(jié)構(gòu)的緊湊性、高隔離性和三陷波特性.天線輻射貼片采用多切角矩形來(lái)實(shí)現(xiàn)較寬的帶寬；在接地板上加載波紋T 型去耦結(jié)構(gòu)，刻蝕倒“π”型槽縫隙來(lái)實(shí)現(xiàn)較高隔離度；通過(guò)在貼片上刻蝕“U”型縫隙、在饋線上刻蝕類(lèi)“H”型縫隙以及在右側(cè)引入倒“C”型寄生枝節(jié)，實(shí)現(xiàn)了WiMAX（3.3～3.6 GHz）、WLAN（5.15～5.85 GHz）和X波段（7.25～7.75 GHz）三個(gè)頻段的陷波，最終天線尺寸為38 mm×26 mm×1.2 mm，在2.9～11.3 GHz 工作頻段內(nèi)隔離度均低于?22.6 dB，包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(envelope correlation coefficient, ECC)低于0.01.實(shí)際測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，表明該天線具有較好的增益和輻射性能.

1 天線設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的三陷波UWB-MIMO 天線尺寸為38 mm×26 mm，選用50 Ω 微帶線進(jìn)行饋電，天線印制在1.2 mm 的FR4 介質(zhì)基板上，其介電常數(shù)為4.4，損耗角正切值為0.02.

1.1 天線單元設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)天線單元的尺寸為19 mm×26 mm，考慮天線選材及尺寸，通過(guò)公式估算并優(yōu)化，設(shè)置微帶線寬度為2.31 mm，天線單元改進(jìn)過(guò)程如圖1 所示.文中采用如圖1（a）中最簡(jiǎn)單的矩形作為天線輻射單元，對(duì)矩形微帶線上部微調(diào)整，得圖1（b）所示的階梯狀饋線，圖1（c）和（d）對(duì)輻射貼片底部?jī)蓚?cè)進(jìn)行多次切角，得到了一款UWB 單極子天線.

圖1 天線單元改進(jìn)過(guò)程Fig.1 Antenna unit improvement process

圖2 為天線單元演進(jìn)過(guò)程的S11變化，可以看出天線1 在低頻與中頻處S11高于?10 dB，不滿足設(shè)計(jì)帶寬；天線2 的最低截止頻率仍不滿足；天線3 雖拓展了低頻處帶寬，最低截止頻率達(dá)到4.2 GHz，但高頻處存在阻抗失配現(xiàn)象；而天線4 在保證匹配性能良好的同時(shí)有效拓寬了低頻帶寬，使最低截止頻率降低至2.4 GHz.

圖2 天線單元的S11 結(jié)果Fig.2 S11 results for the antenna unit

1.2 UWB-MIMO 天線設(shè)計(jì)

在得到上述UWB 單極子天線后，將其對(duì)稱放置在介質(zhì)基板上，形成二單元MIMO 天線，然后對(duì)貼片底部左側(cè)再次進(jìn)行斜切角，這種改進(jìn)方法能使輻射貼片與接地板之間的電流路徑進(jìn)一步增多，從而降低表面電流密度，使天線在較高工作頻段處的匹配性能得到有效改善，最終實(shí)現(xiàn)的工作頻段為2.9～11.3 GHz.此時(shí)的天線雖然完全覆蓋UWB 頻段，但是天線兩單元之間存在較強(qiáng)的耦合.為了解耦，在接地板上加載帶有倒“π”型槽縫隙的波紋T 型去耦結(jié)構(gòu).最終所設(shè)計(jì)的UWB-MIMO 天線結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示，天線各參數(shù)如表1 所示.

表1 UWB-MIMO 天線的幾何尺寸Tab.1 UWB-MIMO antenna geometry sizemm

圖3 UWB-MIMO 天線結(jié)構(gòu)圖Fig.3 UWB-MIMO antenna structure diagram

2 高隔離度特性設(shè)計(jì)與分析

2.1 高隔離度天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在天線尺寸緊湊的前提下，要將天線兩單元之間的耦合作用盡可能減小.天線去耦原理實(shí)質(zhì)上是改變電流路徑，自身結(jié)構(gòu)將分散天線中部分電流，以此降低一端天線對(duì)另一端天線的輻射，進(jìn)而提高隔離度.本文通過(guò)改進(jìn)接地板實(shí)現(xiàn)了具有高隔離度的UWB-MIMO 天線，設(shè)計(jì)過(guò)程分為以下四個(gè)步驟，天線實(shí)現(xiàn)高隔離度設(shè)計(jì)過(guò)程如圖4 所示，設(shè)計(jì)過(guò)程中不同接地板結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的S21結(jié)果如圖5 所示.

圖4 高隔離度天線設(shè)計(jì)過(guò)程Fig.4 High isolation antenna ground design process

圖5 不同接地板結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的S21Fig.5 S21 results for different grounding plate configurations

1）如圖4（a）所示，在接地板上加載一個(gè)T 型去耦結(jié)構(gòu)，使天線的S21除低頻段外均達(dá)到低于?20 dB的效果；

2）如圖4（b）所示，對(duì)上述T 型去耦結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，即在左右兩側(cè)添加兩列半圓結(jié)構(gòu)，形成波紋T 型去耦結(jié)構(gòu)，此時(shí)天線的S21在整個(gè)UWB 頻段內(nèi)均小于?20 dB；

3）如圖4（c）所示，為進(jìn)一步降低天線單元間耦合，在波紋T 型去耦結(jié)構(gòu)上刻蝕一個(gè)倒“T”型槽，天線隔離度有所提高；

4）如圖4（d）所示將刻蝕的倒“T”型縫隙演進(jìn)為倒“π”型槽縫隙，在2.9～11.3 GHz 頻段內(nèi)既符合UWB 特性，又將隔離度提高到22.6 dB.

2.2 高隔離度天線實(shí)現(xiàn)分析

1）波紋T 型去耦結(jié)構(gòu)波紋T 型去耦結(jié)構(gòu)由T 型結(jié)構(gòu)和多個(gè)半徑為1 mm 的半圓組成，由于T 型結(jié)構(gòu)的豎直部分和半圓直接相連，所以在半圓半徑尺寸改變的同時(shí)，半圓個(gè)數(shù)也隨之發(fā)生變化.對(duì)半圓的半徑R進(jìn)行仿真優(yōu)化分析，不同R取值對(duì)應(yīng)的S21結(jié)果由圖6 所示.當(dāng)R=0.8 mm 時(shí)，S21高于?15 dB，不符合MIMO 天線對(duì)隔離度的要求；當(dāng)R=0.9 mm 和R=1.1 mm 時(shí)，S21在工作頻段內(nèi)均滿足低于?15 dB；當(dāng)R=1 mm 時(shí)，S21得到有效提高，均低于?20 dB，隔離度的降低證明波紋T 型去耦結(jié)構(gòu)有良好的去耦作用.添加多個(gè)半圓用于產(chǎn)生額外的耦合路徑，其激勵(lì)端天線單元對(duì)波紋T 型去耦結(jié)構(gòu)和非激勵(lì)端天線產(chǎn)生耦合作用，同時(shí)波紋T 型去耦結(jié)構(gòu)以及非激勵(lì)端天線單元對(duì)激勵(lì)端天線也產(chǎn)生耦合作用，通過(guò)這種相互作用的抵消，提高了天線的隔離度.

圖6 不同R 取值對(duì)應(yīng)的S21Fig.6 S21 results for different values of R

2）刻蝕倒“π”型槽縫隙

為進(jìn)一步降低低頻段耦合，繼續(xù)在波紋T 型去耦結(jié)構(gòu)上刻蝕槽縫隙減少耦合.優(yōu)化后采用刻蝕倒“π”型槽縫隙方法，并對(duì)“π”型中間的矩形寬度Ws進(jìn)行優(yōu)化分析，不同Ws取值對(duì)應(yīng)的S21結(jié)果如圖7 所示.在Ws=1.93 mm 時(shí)結(jié)果達(dá)到最優(yōu)，隔離度均低于?22.6 dB，有效證明當(dāng)波紋T 型去耦結(jié)構(gòu)引入倒“π”型槽縫隙時(shí)對(duì)隔離度的降低起到很大作用，說(shuō)明該去耦結(jié)構(gòu)可以有效將電流原本路徑改變，將其限制在天線的一個(gè)端口和去耦結(jié)構(gòu)處，并且不會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生更多輻射，從而在很大程度上降低了天線兩單元之間的耦合作用.兩種解耦結(jié)構(gòu)同時(shí)存在更加提高了天線單元間的隔離度，也保證了天線工作的性能.

圖7 不同Ws 取值對(duì)應(yīng)的S21Fig.7 S21 results for different values of Ws

3 陷波特性設(shè)計(jì)與分析

3.1 陷波特性設(shè)計(jì)

為了抑制WiMAX、WLAN 和X 波段下行頻率三個(gè)頻段信號(hào)的干擾，需要在UWB-MIMO 天線上引入陷波特性.在天線輻射貼片上刻蝕“U”型縫隙、在饋線處刻蝕類(lèi)“H”型縫隙且在右側(cè)加載倒“C”型寄生枝節(jié)，通過(guò)調(diào)整與之對(duì)應(yīng)的枝節(jié)長(zhǎng)度以及擺放位置來(lái)實(shí)現(xiàn)需要抑制的陷波頻段.圖8 為添加三種枝節(jié)前后的S11對(duì)比結(jié)果，可以明顯看出，引入陷波結(jié)構(gòu)后天線產(chǎn)生了3.18～3.61 GHz、5.05～5.86 GHz、7.11～8.15 GHz 三個(gè)頻段的陷波，有效抑制了WiMAX（3.3～3.6 GHz）、WLAN（5.15～5.85 GHz）和X 波段（7.25～7.75 GHz）的干擾，每段陷波的陷波深度達(dá)到5 dB 以上，表明該天線具有良好的陷波特性，并且最終在2.9～11.3 GHz 工作頻段內(nèi)S11均小于?10 dB.

圖8 不同陷波結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的S11Fig.8 S11 results corresponding to different trap structures

3.2 陷波特性分析

陷波的產(chǎn)生是由于在天線的輻射貼片上刻蝕了縫隙，使天線的阻抗匹配在對(duì)應(yīng)頻段內(nèi)變差，從而使產(chǎn)生的頻段呈陷波特性.天線表面上刻蝕的縫隙槽的長(zhǎng)度一般為波長(zhǎng)的二分之一，根據(jù)式（1）可計(jì)算：

式中：fcenter為工作頻段的中心頻率；c為光速；L為槽的長(zhǎng)度； εeff為有效介電常數(shù)； εr為介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù).“U”型縫隙、類(lèi)“H”型縫隙、倒“C”型寄生枝節(jié)對(duì)應(yīng)的總長(zhǎng)度Ls1、Ls2、Lz構(gòu)成公式分別為

本文所引起陷波頻段的縫隙均為在天線內(nèi)部刻蝕縫隙槽，因此根據(jù)式（1）可以估算出每一個(gè)縫隙槽的總長(zhǎng)度.

為證明陷波結(jié)構(gòu)的有效性，本文分析了該三陷波UWB-MIMO 天線在三個(gè)陷波頻段的中心頻點(diǎn)3.45 GHz、5.5 GHz 及7.5 GHz 處的電流分布情況.如圖9（a）所示，天線在中心頻點(diǎn)為3.45 GHz 低頻處陷波的電流大部分集中在饋線右側(cè)的倒“C”型寄生枝節(jié)上.如圖9（b）和（c）所示，天線在5.5 GHz 和7.5 GHz 處表面的電流分別集中在輻射貼片上的“U”型縫隙以及饋線上的類(lèi)“H”型縫隙處.

圖9 不同陷波中心頻率處電流分布Fig.9 Current distribution at different trap centre frequencies

由圖9 可知，這些陷波在中心頻點(diǎn)處都產(chǎn)生了諧振，且縫隙兩側(cè)表面的電流流向相反，添加寄生單元產(chǎn)生陷波的原理和在天線表面開(kāi)槽引起的陷波相似，都是在天線結(jié)構(gòu)附近引起產(chǎn)生與天線表面方向相反的電流，使得在遠(yuǎn)場(chǎng)上產(chǎn)生的電場(chǎng)與天線產(chǎn)生的電場(chǎng)相疊加后抵消，形成窄帶抑制，進(jìn)而形成了三個(gè)頻段的陷波.添加波紋T 型去耦結(jié)構(gòu)后，耦合電流主要集中于波紋T 型去耦結(jié)構(gòu)，使非激勵(lì)端天線單元表面電流減弱.倒“π”型槽縫隙的出現(xiàn)再次改變了之前激勵(lì)端天線的表面電流分布，使電流主要集中于波紋T 型去耦結(jié)構(gòu)與倒“π”型槽縫隙附近，進(jìn)一步減弱了非激勵(lì)端天線的表面電流.

為精確濾除干擾的頻段，對(duì)三個(gè)頻段陷波中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化.改變關(guān)鍵參數(shù)時(shí)，只精準(zhǔn)改變與之對(duì)應(yīng)的陷波頻段，而對(duì)其他陷波頻段的影響很小，圖10 為不同關(guān)鍵參數(shù)對(duì)陷波的影響.

圖10 不同關(guān)鍵參數(shù)對(duì)S11 的優(yōu)化Fig.10 Optimisation of S11 parameters for antenna trap structures

圖10（a）中，當(dāng)調(diào)整產(chǎn)生WiMAX 頻段的倒“C”型寄生枝節(jié)中的Lf=6.57 mm 時(shí)，該頻段的陷波可以覆蓋WiMAX 頻段，且對(duì)于其他兩個(gè)陷波頻段影響很??；圖10（b）中，當(dāng)調(diào)整產(chǎn)生WLAN 頻段的倒“U”型縫隙中的Ls=6.09 mm 時(shí)，該頻段的陷波能夠覆蓋WLAN 頻段，且不影響其他兩個(gè)陷波頻段； 圖10（c）中，當(dāng)調(diào)整產(chǎn)生X 波段下行頻率的類(lèi)“H”型縫隙中的Lh=4.32 mm 時(shí)，該頻段的陷波能夠覆蓋X 波段下行頻率，在不影響整體陷波頻段的情況下，天線工作頻率的截止頻率沒(méi)有止于10.6 GHz.由此可見(jiàn)，完全可以通過(guò)優(yōu)化陷波結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)其中心頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)某一具體陷波頻段.

4 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果分析

4.1 S 參數(shù)

為檢驗(yàn)提出的具有高隔離度的緊湊型三陷波UWB-MIMO 天線的性能，對(duì)制作的實(shí)物天線進(jìn)行實(shí)測(cè)，實(shí)物圖如圖11 所示，圖12 為仿真和測(cè)試的S 參數(shù)結(jié)果.從圖12 中可以看出，天線在2.9～11.3 GHz 內(nèi)S11＜?10 dB，且其在工作的UWB 帶寬內(nèi)S21＜?22.6 dB，同時(shí)具有3.18～3.61 GHz、5.05～5.86 GHz 和7.11～8.15 GHz 頻段內(nèi)的三個(gè)陷波.從測(cè)試的S21可以看出，天線隔離度均大于22.6 dB，結(jié)果表明天線在2.9～11.3 GHz 的工作頻段內(nèi)具有良好的隔離度.

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

圖12 S 參數(shù)仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.12 S parameter simulation versus actual measurement

4.2 輻射特性

圖13 是天線在3.45 GHz、5.5 GHz 和7.5 GHz 頻率處的遠(yuǎn)場(chǎng)E 面、H 面測(cè)得的仿真和實(shí)測(cè)二維輻射方向圖.可以看出，在仿真中天線的輻射特性較好，低頻處的天線在H 面基本呈現(xiàn)全向性，在E 面大概呈現(xiàn)為數(shù)字“8”的形狀，E、H 面呈現(xiàn)的方向圖與理想預(yù)期十分吻合，符合UWB-MIMO 系統(tǒng)中的工作需要.

圖13 E、H 面仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.13 E, H-surface simulation and measurement results

4.3 包絡(luò)相關(guān)系數(shù)（ECC）

ECC 描述了天線單元對(duì)信號(hào)接收的獨(dú)立程度，ECC 理想數(shù)值應(yīng)該等于0，兩端口MIMO 天線的ECC 值可以由仿真和測(cè)量的S 參數(shù)代入式（6）計(jì)算得到：

圖14 ECC 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.14 ECC simulation and real measurement results

4.4 天線增益

天線增益的穩(wěn)定程度和輻射效率的高低是衡量天線性能好壞的關(guān)鍵指標(biāo).圖15 為天線的增益圖， 可以看出，在整個(gè)工作頻段中天線增益穩(wěn)定在 4～6 dBi，但三個(gè)陷波頻段處的增益有降低趨勢(shì)，分別下降至3.9 dBi、3.7 dBi 和3.3 dBi 左右.

圖15 天線增益圖Fig.15 Gain of the antenna

4.5 天線輻射效率

天線的輻射效率如圖16 所示，可以觀察到在整個(gè)工作帶寬上的輻射效率約為88%，并且在陷波頻段處呈現(xiàn)凹陷趨勢(shì).

圖16 天線輻射效率Fig.16 Radiation efficiency of the antenna

4.6 天線性能比較

表2 為文中所設(shè)計(jì)的高隔離度緊湊型三陷波UWB-MIMO 天線與已發(fā)表文獻(xiàn)中天線的性能參數(shù)對(duì)比.可以看出，與其他多陷波文獻(xiàn)相比，雖然陷波在數(shù)量上相近，但是本文的天線陷波頻段更加完整、帶寬更寬、隔離度更高，既更好地平衡了帶寬、隔離度與陷波數(shù)量之間的關(guān)系，又在尺寸以及ECC 參數(shù)上都有突出的優(yōu)勢(shì).

表2 MIMO 天線性能對(duì)比Tab.2 MIMO antenna performance comparison

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種具有三陷波特性的緊湊型UWBMIMO 天線.改進(jìn)天線貼片后，天線尺寸為38 mm×26 mm×1.2 mm，實(shí)現(xiàn)了2.9～11.3 GHz 的工作頻段.通過(guò)在輻射貼片上刻蝕“U”型縫隙、在饋線上刻蝕類(lèi)“H”型縫隙以及在右側(cè)加載倒“C”型寄生枝節(jié)，最終在3.18～3.61 GHz、5.05～5.86 GHz 和7.11～8.15 GHz 頻段具有陷波特性，覆蓋了WiMAX 頻段、WLAN 頻段和X 波段下行頻率的頻段.在接地板引入倒“π”型槽縫隙的波紋T 型去耦結(jié)構(gòu)后，降低了天線單元間的互耦，使天線隔離度在工作頻段內(nèi)均低于?22.6 dB，且ECC＜0.01.天線性能各項(xiàng)良好，可廣泛適用于無(wú)線通信等領(lǐng)域中.