一種基于中和線去耦結(jié)構(gòu)的高隔離度WLAN天線設(shè)計(jì)分析

【關(guān)鍵詞】多輸入多輸出（MIMO）天線；中和線去耦；天線隔離度

引言

在當(dāng)前的通信領(lǐng)域之中，無線移動(dòng)通信發(fā)展得最為快速，同時(shí)也是最為活躍的領(lǐng)域。但是在無線通信技術(shù)快速發(fā)展的同時(shí)，用戶對于通信產(chǎn)品的要求越來越高，特別是對于設(shè)備數(shù)據(jù)的傳輸速率、信道質(zhì)量、信道容量等需求越來越高[1]。為了實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)吞吐量以及更短的通信延遲，多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于第5代與第6代無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network， WLAN）。面對筆記本電腦產(chǎn)品的日益小型化，新時(shí)期的筆記本電腦設(shè)計(jì)要求天線能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)盡可能多的功能，天線的小尺寸、寬頻帶以及高性能等是無線終端天線技術(shù)發(fā)展的迫切需要[2]。

已知常見的MIMO天線解耦技術(shù)有：分集技術(shù)、添加寄生枝節(jié)技術(shù)、缺陷地設(shè)計(jì)、去耦網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等[3]。分集技術(shù)主要是利用對天線的擺放位置進(jìn)行調(diào)整并達(dá)到改善MIMO天線單元間隔離度的目的，但其要求天線單元間的距離足夠大，因此很難實(shí)現(xiàn)天線小型化。其次，添加寄生枝節(jié)技術(shù)是通過在靠近天線單元的位置加入特定結(jié)構(gòu)，通過利用雙耦合路徑使得寄生枝節(jié)產(chǎn)生反向耦合以減少天線單元間的耦合。缺陷地設(shè)計(jì)則是在天線單元的技術(shù)地板表面通過刻蝕縫隙形的方法形成地板缺陷地結(jié)構(gòu)，將天線單元之間的耦合場轉(zhuǎn)換成為表面電流，對天線原有的表面電流分布進(jìn)行改善，以此來實(shí)現(xiàn)MIMO天線單元間的弱耦合。針對筆記本電腦產(chǎn)品，大多數(shù)WLAN天線方案中參考地本身尺寸較小，并且一般參考地需要保證完整性。所以，缺陷地設(shè)計(jì)在筆記本上的應(yīng)用相對較小。此外，去耦網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要是通過改變MIMO天線單元之間的阻抗匹配特性來阻擋表面電流的耦合，但是去耦網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)或者電路設(shè)計(jì)往往比較復(fù)雜[4]。

針對上述的各種問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于異形PCB結(jié)構(gòu)的小型化高隔離度MIMO天線。通過利用金屬中和線來連接MIMO單元天線，然后在中和線上添加寄生枝結(jié)構(gòu)來進(jìn)行改進(jìn)，使得單元天線具備了小型化、高隔離度的特性，所述方法具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

一、天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的高隔離度MIMO天線在筆記本電腦的環(huán)境位置和天線結(jié)構(gòu)分別如圖1（a）和圖1（b）所示。所述筆記本電腦的C殼為塑料材質(zhì)，筆記本天線采用介電常數(shù)為4.3、損耗角正切為0.025的FR-4作為介質(zhì)材料，基板厚度為0.4mm，由于天線凈空區(qū)域與C殼、D殼的卡勾結(jié)構(gòu)干涉，天線為一種異形PCB結(jié)構(gòu)，介質(zhì)基板的長L、寬W分別為：90mm和9.2mm。

如圖2所示，單元天線采用PIFA形式，且單元天線輻射走線直接印制在介質(zhì)基板上，中間通過帶有兩個(gè)彎折型寄生枝節(jié)的中和線進(jìn)行連接。并且，MIMO單元天線分別采用50Ω同軸線饋電的激勵(lì)方式。

通過采用基于時(shí)域有限積分法的電磁仿真軟件CST對天線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化仿真，天線最終的結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示：

二、天線性能分析

本文MIMO天線的設(shè)計(jì)過程如下圖3所示，利用彎折型寄生枝節(jié)與中和線解耦設(shè)計(jì)來對單元天線之間的隔離度進(jìn)行改善。其中彎折型寄生枝節(jié)結(jié)構(gòu)的主要作用就是通過寄生單元結(jié)構(gòu)的兩個(gè)相位相反的電流之間的相互抵消來對MIMO天線在高頻段的隔離度進(jìn)行降低，中和線的作用則是用來降低單元天線在低頻段的耦合作用。

圖4和圖5分別給出了帶有寄生枝節(jié)中和線的MIMO天線在筆記本電腦處于Open開蓋模式與Close合蓋模式的S參數(shù)曲線。結(jié)果表明：所述MIMO天線在用于頻段內(nèi)駐波良好，天線隔離度優(yōu)良（S21 lt;-20 dB），能夠滿足筆記本電腦的天線應(yīng)用要求。

圖6給出了開蓋和合蓋模式下天線隔離度的對比曲線。由圖可知，加入中和線結(jié)構(gòu)后，合蓋模式，天線在2.4～2.5GHz頻段處，S21至少提升了5dB，在5.15～7.125GHz內(nèi)大部分頻段提升了4dB；而開蓋模式下，在2.4～2.5GHz頻段處，S21至少提升了8.5dB，在5.15～7.125GHz頻段內(nèi)至少提高了3dB。

同時(shí)，為了進(jìn)一步弄清筆記本電腦MIMO天線實(shí)現(xiàn)高隔離度的原理，如下圖7所示，我們給出了有無中和線結(jié)構(gòu)隔離差異較為明顯的低頻部分表面電流分布圖。結(jié)果顯示：添加合適的中和線結(jié)構(gòu)能夠改變MIMO天線的場分布，進(jìn)而使得單元天線端口之間的耦合變?nèi)酢?/p>

結(jié)論

本文提出了一種應(yīng)用于筆記本電腦的小型化、高隔離度WLAN天線，具體通過在天線單元之間增加中和線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)MIMO天線良好的隔離度。通過電磁仿真軟件對天線進(jìn)行仿真與優(yōu)化，在2.4GHz、5GHz、WiFi-6E頻段的天線阻抗匹配良好，天線隔離度均小于-20dB，所述的天線解耦技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，有望廣泛地應(yīng)用于筆記本電腦的WLAN天線設(shè)計(jì)。