基于新型共面波導(dǎo)的頻率可重構(gòu)MIMO天線設(shè)計(jì)

常 睿,李 偉,姚博譯,段俊萍,張斌珍

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051)

0 引言

近年來(lái)無(wú)線與通信技術(shù)發(fā)展迅猛,為了滿足通信系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的需求,高傳輸速率、大容量信道、寬帶頻段等成為重點(diǎn)研究方向[1]。而多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)可以在相同帶寬的情況下提高頻譜利用率和信道容量,這對(duì)于解決日趨緊缺的頻譜資源是一個(gè)良好的解決方法。

MIMO天線利用多個(gè)發(fā)射和接收天線來(lái)提供復(fù)用增益和分集增益,這減少了多徑衰落效應(yīng),增加了傳輸容量。小型化和緊湊型天線是寬帶天線系統(tǒng)中較常見(jiàn)的天線類型。對(duì)于MIMO天線,單元之間的互耦程度是衡量MIMO系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一。為了解決去耦問(wèn)題,提出了多種技術(shù)方法,如去耦存根技術(shù)[2]、缺陷地結(jié)構(gòu)[3-4]、電子帶隙[5-6]和開(kāi)口諧振環(huán)[7-8]等。研究表明,MIMO天線中的分集技術(shù)可以有效地解決多徑衰落問(wèn)題,從而提升通信質(zhì)量[9]。在MIMO天線諸多優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上,可重構(gòu)MIMO天線在新一代通信系統(tǒng)中獲得極大的關(guān)注[10],它不僅是改善覆蓋范圍和提高數(shù)據(jù)速率的絕佳選擇,還可以根據(jù)頻率可重構(gòu)的特性提高頻譜效率。近年來(lái)可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)已應(yīng)用于MIMO天線系統(tǒng)中,文獻(xiàn)[11]采用可控開(kāi)關(guān)元件對(duì)超寬帶(UWB)頻段內(nèi)進(jìn)行可調(diào)節(jié)和可逆的控制,使天線能在3種不同模式下運(yùn)行。2022年,Zhao等[12]提出一種可以通過(guò)二極管控制的可重構(gòu)MIMO天線,使天線分別在3.5 GHz和5 GHz頻段工作。Islam. H等[13]等設(shè)計(jì)了一種帶阻濾波器去耦網(wǎng)絡(luò),在濾波器配置中連接單個(gè)PIN二極管。通過(guò)控制PIN二極管的ON/OFF狀態(tài),MIMO天線可以在模式1(4.75 GHz)和模式2(1.77 GHz)下工作。

本文提出了一種基于新型共面波導(dǎo)(CPW)饋電方式的緊湊型可重構(gòu)MIMO天線,通過(guò)控制開(kāi)關(guān)可使天線在UWB頻段和K波段下工作。所設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能優(yōu)良,MIMO天線的隔離性能良好,具有緊湊的尺寸(僅19 mm×38 mm),比大多數(shù)提出的MIMO天線尺寸更小。

1 天線的設(shè)計(jì)與分析

所設(shè)計(jì)的天線最終結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線尺寸為19 mm×12 mm×0.8 mm。選用F4B作為介質(zhì)基板材料構(gòu)建印刷電路板,該介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)為2.65,損耗角正切為0.001。所設(shè)計(jì)的天線主要由一個(gè)矩形貼片和共面波導(dǎo)構(gòu)成,在CPW上蝕刻不規(guī)則矩形縫隙可以改變貼片上的電流方向,實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配。通過(guò)控制D1、D2的導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)可實(shí)現(xiàn)天線的頻率重構(gòu)功能。優(yōu)化尺寸如表1所示。

表1 天線最優(yōu)參數(shù)尺寸 mm

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

所設(shè)計(jì)的單個(gè)天線仿真結(jié)果如圖2所示。由圖可見(jiàn),當(dāng)D1、D2導(dǎo)通時(shí),天線的工作頻段為6.17～9.38 GHz,而當(dāng)D1、D2處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí),由于表面電流的長(zhǎng)度改變,天線的工作狀態(tài)隨之變化,工作頻率變?yōu)?9.53～25.48 GHz。

圖2 兩種工作狀態(tài)下的S11

2 天線的性能研究

2.1 MIMO天線設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的MIMO天線由兩個(gè)天線單元正交排列在同一介質(zhì)基板上組成。其中一個(gè)天線單元被激勵(lì),由于天線的隔離效果較好,確保了表面電流處于該單元中,而不會(huì)與其他單元產(chǎn)生耦合。圖3為天線幾何結(jié)構(gòu)和加工實(shí)物圖,其中天線單元的尺寸與第1節(jié)一致。所提出的1×2 MIMO天線由兩個(gè)天線單元正交組成,印刷在19 mm×38 mm的F4B介質(zhì)基板上。

圖3 MIMO天線結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖

2.2 天線性能分析

圖4為MIMO天線的仿真與測(cè)試結(jié)果。由圖可見(jiàn),仿真與實(shí)測(cè)的S11、S21曲線大致吻合,誤差在可接受范圍內(nèi),出現(xiàn)誤差的原因在于存在加工誤差、SMA連接器損耗以及測(cè)試誤差等不可避免的因素。在兩種工作模式下S21均大于20 dB,這說(shuō)明MIMO天線在工作范圍內(nèi)具有良好的隔離度。

圖4 MIMO天線的仿真與測(cè)試結(jié)果

為了觀察共面波導(dǎo)對(duì)MIMO天線的影響,圖5給出了MIMO天線在6.5 GHz與23.3 GHz的表面電流分布,在端口1被激勵(lì)時(shí),端口2接50 Ω匹配負(fù)載。

圖5 MIMO天線在不同頻率下的表面電流分布

在開(kāi)關(guān)截止時(shí)(見(jiàn)圖5(a)),天線的最大電流主要分布在靠近端口的饋線部分,以及貼片的左下角和右上角附近,只有很細(xì)微的能量耦合在新型共面波導(dǎo)上;而當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)(見(jiàn)圖5(b)),天線的最大電流分布在饋線、貼片及新型共面波導(dǎo),這說(shuō)明當(dāng)改變共面波導(dǎo)的表面能量狀態(tài)的同時(shí)也改變了天線的電流分布情況,延長(zhǎng)了電流的長(zhǎng)度,實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)特性。此外,在兩種狀態(tài)下均未發(fā)生天線單元之間相互耦合的情況,這表明所設(shè)計(jì)的MIMO天線具有良好的隔離特性。

圖6(a)、(b)為MIMO天線在6.5 GHz與23.3 GHz下的天線輻射方向圖。由圖可見(jiàn),在6.5 GHz下表現(xiàn)為全向輻射,而在23.3 GHz下輻射方向發(fā)生輕微畸變,這是由于隨著頻率增大,介質(zhì)基底的介電常數(shù)發(fā)生了損耗,天線的測(cè)試環(huán)境如圖6(c)所示。

圖6 MIMO天線方向圖及測(cè)試環(huán)境

2.3 分集性能分析

除了傳統(tǒng)的天線參數(shù)外,還需要觀察包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(ECC)來(lái)衡量天線單元之間的相關(guān)性,通過(guò)觀察ECC來(lái)表征天線之間的獨(dú)立性,ECC較低,說(shuō)明MIMO天線具有良好的分集性能,一般要求ECC低于0.4。與此同時(shí),分集增益(DG)也是MIMO天線的一個(gè)重要參數(shù),它是評(píng)估MIMO系統(tǒng)與單天線系統(tǒng)信噪比的量化改進(jìn)指標(biāo),量化了分集對(duì)通信系統(tǒng)的影響,DG可由ECC進(jìn)一步得出。ECC與DG分別為

(1)

(2)

通過(guò)式(1)、(2)計(jì)算天線的ECC、DG,結(jié)果如圖7所示。由圖可見(jiàn),在整個(gè)工作頻段中,MIMO天線的ECC均小于0.05,遠(yuǎn)小于指標(biāo)0.4。此外,DG接近10 dB,說(shuō)明天線單元之間具有良好的不相關(guān)性。

圖7 兩種工作狀態(tài)下天線的相關(guān)包絡(luò)系數(shù)與分集增益

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款基于新型共面波導(dǎo)(CPW)頻率可重構(gòu)MIMO天線,所設(shè)計(jì)的天線可以在6.17～9.38 GHz與19.53～25.48 GHz之間工作,在工作頻段內(nèi)的隔離度小于-20 dB,天線的相關(guān)包絡(luò)系數(shù)小于0.05。分集增益無(wú)限接近于10 dB,這表明天線具有良好的分集性能,為未來(lái)寬帶通信系統(tǒng)提供了良好的選擇。