采用螺旋線(xiàn)實(shí)現(xiàn)高隔離度的車(chē)載多頻寬帶MIMO天線(xiàn)

摘" 要： 為解決車(chē)載天線(xiàn)工作帶寬窄和MIMO天線(xiàn)低頻段隔離度低等問(wèn)題，提出一種應(yīng)用于車(chē)載通信系統(tǒng)的多頻寬帶高隔離度的MIMO天線(xiàn)，其工作頻段為824～960 MHz和1 710～6 000 MHz，可覆蓋民用移動(dòng)通信的2G/3G/4G/5G和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)/車(chē)聯(lián)網(wǎng)等頻段。單極子天線(xiàn)單元采用彎曲、開(kāi)槽等諸多技術(shù)實(shí)現(xiàn)多頻寬帶，還通過(guò)添加接地枝節(jié)來(lái)降低天線(xiàn)高度和提高物理穩(wěn)定性；在MIMO天線(xiàn)設(shè)計(jì)上采用螺旋線(xiàn)來(lái)提高天線(xiàn)單元之間的隔離度。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，天線(xiàn)在工作頻段內(nèi)的反射系數(shù)小于-10 dB，隔離度小于-20 dB，低頻段增益和輻射效率略低，中高頻段的增益均大于4 dBi，最高達(dá)到7 dBi，效率均高于70%，最高可以達(dá)到96%。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)具有良好的一致性，所研制的天線(xiàn)可滿(mǎn)足車(chē)載天線(xiàn)對(duì)多頻段通信和高隔離度MIMO天線(xiàn)的技術(shù)要求，其結(jié)構(gòu)和尺寸專(zhuān)為安裝于汽車(chē)內(nèi)部中控臺(tái)背面而設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞： 車(chē)載天線(xiàn)； 多頻段天線(xiàn)； 寬帶天線(xiàn)； 單極子天線(xiàn)； MIMO天線(xiàn)； 高隔離度

中圖分類(lèi)號(hào)： TN828.6?34" " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " " "文章編號(hào)： 1004?373X（2024）05?0015?08

Implementation of vehicular high isolation multi?band wideband

MIMO antenna with helical wire

ZHENG Zhenkun1， LIN Fumin1， ZHANG Huafu2

（1. School of Physics and Optoelectronic Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China;

2. Guangzhou Hi?Target Navigation Tech Co.， Ltd.， Guangzhou 511400， China）

Abstract： In view of the narrow operating bandwidth of vehicular antenna and low isolation of multiple?input multiple?output （MIMO） antenna in low frequency band， a multi?band wideband high isolation MIMO antenna applied to vehicle communication systems is proposed. It works in the frequency bands of 824～960 MHz and 1 710～6 000 MHz， and can cover the frequency bands of civil mobile communication such as 2G/3G/4G/5G and wireless local area network （WLAN）/Vehicle to Everything （V2X）. The monopole antenna unit is designed with techniques such as bending and slotting， so as to achieve multi?wideband. In addition， the grounded branch is added to reduce the antenna′s height and improve its physical stability. MIMO antenna is designed by adopting helical wire to improve the isolation of the antenna unit. The measured results show that the reflection coefficient of the antenna is less than -10 dB and its isolation is less than -20 dB in the operating band， its gain and radiation efficiency is slightly lower in the low?frequency band， and in the middle and high?frequency bands， its gain is greater than 4 dBi and its maximum is 7 dBi， and its efficiency is higher than 70% and its maximum is 96%. The measured and simulated results have high consistency. The developed antenna can meet the technical requirements of vehicle antenna for multi?band communication and high isolation MIMO antenna， and its structure and size are specially designed for mounting on the back of the center console inside the vehicle.

Keywords： vehicular antenna; multi?band antenna; wideband antenna; monopole antenna; MIMO antenna; high isolation

0" 引" 言

隨著車(chē)載通信技術(shù)的迅速發(fā)展，多頻寬帶天線(xiàn)在車(chē)載通信系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)能夠覆蓋民用移動(dòng)通信的2G/3G/4G/5G和WLAN/V2X等通信頻段的天線(xiàn)的需求也隨之增加。目前大部分車(chē)載天線(xiàn)為印刷天線(xiàn)，比如印刷單極子天線(xiàn)[1?6]和倒F天線(xiàn)[7?9]。大部分天線(xiàn)覆蓋的頻段是824～2 690 MHz，文獻(xiàn)[5]中的單極子印刷天線(xiàn)能覆蓋5G的sub_6 GHz頻段，但是沒(méi)有覆蓋低頻段的車(chē)載通信頻段。

印刷天線(xiàn)的設(shè)計(jì)自由度較小，不能充分利用有限空間，所能提供的增益和效率相對(duì)較低，特別是低頻段。為了在有限的空間內(nèi)天線(xiàn)能夠獲得更好的性能，具有較大設(shè)計(jì)自由度的金屬天線(xiàn)逐漸得到了應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外研究中多數(shù)金屬天線(xiàn)應(yīng)用于鯊魚(yú)鰭式天線(xiàn)罩內(nèi)部[10?14]，但是仍存在一些不足，比如文獻(xiàn)[12?13]中的金屬天線(xiàn)的尺寸較大，且不能完全覆蓋2G/3G/4G/5G和WLAN/V2X等頻段。由于考慮汽車(chē)的外觀美學(xué)，有研究將天線(xiàn)部署在汽車(chē)內(nèi)部，文獻(xiàn)[15]中將天線(xiàn)部署在汽車(chē)儀表盤(pán)內(nèi)，但是存在接地平面過(guò)大和中高頻段阻抗匹配不好的問(wèn)題。文獻(xiàn)[16]中將天線(xiàn)部署在車(chē)頂后方的擾流板內(nèi)部，但是大部分工作頻段的反射系數(shù)大于-10 dB。因此，部署在汽車(chē)內(nèi)部的金屬天線(xiàn)有著很大的挑戰(zhàn)，需要考慮尺寸和天線(xiàn)性能等。

在車(chē)載通信系統(tǒng)中，多輸入多輸出（Multiple?Input Multiple?Output， MIMO）天線(xiàn)系統(tǒng)得到了廣泛的使用， MIMO天線(xiàn)由兩個(gè)或多個(gè)天線(xiàn)單元組成，可以大幅度提高天線(xiàn)輻射性能。MIMO天線(xiàn)間存在耦合效應(yīng)，因此如何提高M(jìn)IMO中天線(xiàn)單元之間的隔離度很重要。對(duì)于金屬M(fèi)IMO天線(xiàn)，大部分文獻(xiàn)采用增加天線(xiàn)端口之間的距離來(lái)提高隔離度，但這種方法并不能很好地提高低頻段的隔離度[17?21]。文獻(xiàn)[20]采用了在基板底層設(shè)計(jì)解耦網(wǎng)絡(luò)來(lái)提高M(jìn)IMO天線(xiàn)的隔離度，但是整體尺寸相對(duì)較大，且設(shè)計(jì)解耦網(wǎng)絡(luò)具有一定的復(fù)雜性。那么在天線(xiàn)單元之間保持一定距離的條件下，如何提高金屬M(fèi)IMO天線(xiàn)的隔離度是設(shè)計(jì)的一大難點(diǎn)。

本文研制了一種應(yīng)用于車(chē)載通信系統(tǒng)的多頻寬帶高隔離度的MIMO天線(xiàn)，工作頻段為824～960 MHz和1 710～6 000 MHz，覆蓋了民用移動(dòng)通信的2G/3G/4G/5G和WLAN/V2X等頻段，具有多頻寬帶和高隔離度的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)和尺寸專(zhuān)為安裝于汽車(chē)內(nèi)部中控臺(tái)背面而設(shè)計(jì)。在文中第一節(jié)和第二節(jié)中分別對(duì)天線(xiàn)單元和MIMO天線(xiàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)說(shuō)明和仿真測(cè)試數(shù)據(jù)的分析。

1" 單極子天線(xiàn)單元的設(shè)計(jì)與分析

1.1" 天線(xiàn)單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的單極子天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該天線(xiàn)是基于[14]波長(zhǎng)單極子天線(xiàn)原理設(shè)計(jì)的，由板厚為1 mm的不銹鋼板切割而成，在天線(xiàn)表面進(jìn)行縫隙切割，得到的“倒T”型的縫隙可以將天線(xiàn)分為兩部分，天線(xiàn)的上部分主要工作在低頻段（824～960 MHz），天線(xiàn)的下部分主要工作在中高頻段（1 710～6 000 MHz）。

圖1中給出了天線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾何參數(shù)，對(duì)應(yīng)的參數(shù)取值如表1所示。

圖2給出了天線(xiàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程和對(duì)應(yīng)的反射系數(shù)曲線(xiàn)。以天線(xiàn)1為基礎(chǔ)，通過(guò)在金屬板上半部分進(jìn)行“倒T”型開(kāi)縫和添加向外彎折延伸的金屬枝節(jié)，從而得到天線(xiàn)2和天線(xiàn)3。從圖2e）可以看出，天線(xiàn)3不能很好地覆蓋低頻段，并且從天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的物理穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，天線(xiàn)3的結(jié)構(gòu)容易脫落，不適合安裝在高速移動(dòng)的汽車(chē)上。為了解決以上兩個(gè)問(wèn)題，在天線(xiàn)3的基礎(chǔ)上，采用短路接地枝節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)天線(xiàn)的低頻工作頻段和提高天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的物理穩(wěn)定性。圖2e）中天線(xiàn)4的反射系數(shù)曲線(xiàn)展示了添加接地枝節(jié)可以使得天線(xiàn)工作頻段往低頻段頻偏，不需要通過(guò)增大天線(xiàn)低頻電流路徑，就可以使其覆蓋到824～960 MHz和1 710～6 000 MHz。

1.2" 天線(xiàn)模型與參數(shù)分析

1.2.1" 天線(xiàn)等效電路模型

利用文獻(xiàn)[22]中的方法，從仿真數(shù)據(jù)中推導(dǎo)出天線(xiàn)的一種等效電路模型，如圖3a）所示，其中天線(xiàn)結(jié)構(gòu)上的“倒T”型縫隙起到帶阻濾波器的作用，在等效電路模型中用電容[C3]、串聯(lián)接地的電感[L2]和[C2]來(lái)表示。圖3b）展示的是天線(xiàn)仿真和等效電路模型的反射系數(shù)的對(duì)比，結(jié)果表明，電路模型的反射系數(shù)與天線(xiàn)仿真數(shù)據(jù)具有良好的一致性，證明了該電路模型可以表示本文設(shè)計(jì)的天線(xiàn)。

1.2.2" “倒T”型縫隙參數(shù)分析

圖4展示了“倒T”型縫隙參數(shù)[LS1]、[LS3]和[H2]對(duì)反射系數(shù)的影響，其中參數(shù)[H2]對(duì)“倒T”型縫隙的結(jié)構(gòu)有著很大影響，如圖4c）所示，隨著[H2]值的減小，相當(dāng)于減小圖3a）中等效電路中的[C2]值，影響中高頻阻抗匹配。通過(guò)仿真分析，[LS1]、[LS3]和[H2]分別取值為1 mm、15 mm和41.5 mm。

2" MIMO天線(xiàn)的研制與分析

2.1" MIMO天線(xiàn)的研制

將兩個(gè)單極子天線(xiàn)并排放置組成MIMO天線(xiàn)（將左邊天線(xiàn)單元設(shè)定為天線(xiàn)1，另一個(gè)設(shè)定為天線(xiàn)2）。由于實(shí)際車(chē)載系統(tǒng)應(yīng)用中需要構(gòu)建等電勢(shì)面，MIMO天線(xiàn)一般需要共地，因此天線(xiàn)1和天線(xiàn)2采用不共地的方式來(lái)提高天線(xiàn)隔離度的方法是不建議采用的。

在MIMO天線(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中有兩種天線(xiàn)結(jié)構(gòu)，如圖5所示。結(jié)構(gòu)一將天線(xiàn)1和天線(xiàn)2直接共地連接，結(jié)構(gòu)二采用螺旋線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)天線(xiàn)共地。螺旋線(xiàn)參數(shù)如下：圈徑[D]=5 mm，線(xiàn)徑[d]=0.6 mm，圈距[S]=1.6 mm，長(zhǎng)度[L]=30 mm，圈數(shù)為18.5。

在仿真過(guò)程中，將天線(xiàn)1的端口激勵(lì)，天線(xiàn)2的端口接上50 Ω負(fù)載，這兩個(gè)模型仿真得到的天線(xiàn)[S]參數(shù)對(duì)比如圖6所示。

通過(guò)圖6a）和圖6b）可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)一的[S]參數(shù)在低頻段的反射系數(shù)大于-10 dB，隔離度[S21]大于-15 dB，因此結(jié)構(gòu)一不能改善MIMO天線(xiàn)的隔離度。而為了提高天線(xiàn)隔離度，去不斷增大天線(xiàn)間距離的做法是不符合實(shí)際的。所以在這里提出了采用螺旋線(xiàn)來(lái)提高隔離度的方法。在接地板之間加入金屬螺旋線(xiàn)之后，可以有效地減弱接地板上低頻電流的干擾，從而提高M(jìn)IMO天線(xiàn)的隔離度。結(jié)構(gòu)二的反射系數(shù)和隔離度[S21]均得到了明顯的改善，工作頻段內(nèi)的反射系數(shù)基本小于-10 dB，隔離度[S21]基本小于-20 dB。

2.2" MIMO天線(xiàn)仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.2.1" 螺旋線(xiàn)參數(shù)分析

可以將螺旋線(xiàn)等效為一個(gè)電感，對(duì)耦合電流有著很大的阻隔作用，其尺寸參數(shù)對(duì)隔離度的影響如圖7所示，圈徑[D]、線(xiàn)徑[d]和圈距[S]對(duì)低頻段隔離度影響較大，圈數(shù)對(duì)隔離度的影響較小。通過(guò)仿真分析與實(shí)際加工考慮來(lái)取得合適參數(shù)值。

2.2.2" MIMO天線(xiàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

將單極子天線(xiàn)和用于提高隔離度的螺旋線(xiàn)進(jìn)行加工焊接，得到MIMO天線(xiàn)實(shí)物，如圖8a）所示。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和微波暗室分別測(cè)試MIMO天線(xiàn)的[S]參數(shù)和輻射參數(shù)，如圖8b）所示。

圖9a）展示的MIMO天線(xiàn)的實(shí)測(cè)反射系數(shù)，在工作頻段內(nèi)基本小于-10 dB。圖9b）中MIMO天線(xiàn)的實(shí)測(cè)隔離度在工作頻段內(nèi)基本滿(mǎn)足[S21lt;]-20 dB，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)具有良好的一致性，說(shuō)明螺旋線(xiàn)結(jié)構(gòu)可以提高M(jìn)IMO天線(xiàn)的隔離度，特別是明顯提高了低頻段的隔離度。從[S]參數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出所研制的MIMO天線(xiàn)耦合程度低、隔離度高。

MIMO天線(xiàn)的實(shí)測(cè)增益如圖10a）所示，仿真采用電導(dǎo)率為5 000 S/m的不銹鋼材料，在天線(xiàn)加工焊接誤差和微波暗室測(cè)試誤差內(nèi)，可以發(fā)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)具有良好的一致性。

天線(xiàn)增益和輻射效率的關(guān)系如下：

[er=PrPin=RrRr+Rg=11+RgRr] （1）

[G=D?er] （2）

式中：[er]是天線(xiàn)輻射效率；[Pr]是天線(xiàn)輻射功率；[Pin]是天線(xiàn)接收功率；[Rr]是天線(xiàn)輻射電阻；[Rg]是損耗電阻；[G]是天線(xiàn)增益；[D]是方向性系數(shù)。如圖10b）所示，由于采用較便宜的普通不銹鋼材料損耗較大，天線(xiàn)在低頻段的輻射效率較低（輻射效率大于30%，最高達(dá)到40%），對(duì)應(yīng)低頻段的增益也較低。天線(xiàn)在中高頻段的輻射效率基本大于70%，最高可以達(dá)到96%，實(shí)測(cè)增益大于4 dBi，最高達(dá)到7 dBi。對(duì)不同電導(dǎo)率的不銹鋼材料進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果顯示，電導(dǎo)率的提高可以明顯提高天線(xiàn)低頻段的增益。若不計(jì)成本，可以采用質(zhì)量好、電導(dǎo)率高的不銹鋼來(lái)提高天線(xiàn)的低頻增益。若不考慮天線(xiàn)的物理性能，可以采用更高性能的銅作為天線(xiàn)材料。

本文設(shè)計(jì)的MIMO天線(xiàn)的方向圖測(cè)試結(jié)果如圖11所示，分別展示了MIMO天線(xiàn)在860 MHz、1 900 MHz、3 500 MHz、4 900 MHz和5 910 MHz處的天線(xiàn)1和天線(xiàn)2在[XOZ]平面和[YOZ]平面的輻射方向圖。這5個(gè)頻點(diǎn)的方向圖基本都是軸對(duì)稱(chēng)的，有利于MIMO天線(xiàn)應(yīng)用于全方位的車(chē)載通信系統(tǒng)。

為了模擬MIMO天線(xiàn)部署在車(chē)控臺(tái)內(nèi)部，在仿真軟件上進(jìn)行模擬，模擬方法采用將MIMO天線(xiàn)緊貼在車(chē)控臺(tái)內(nèi)部的聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride， PVC）材料盒子后面，如圖12a）所示。

使用高電導(dǎo)率、質(zhì)量好的金屬材料，比如銅，部署在PVC塑料盒背面的MIMO天線(xiàn)的增益仿真數(shù)據(jù)如圖12b）所示。仿真采用介電常數(shù)為2.7、損耗角正切為0.05的PVC塑料，由于天線(xiàn)輻射空間的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得天線(xiàn)工作頻段發(fā)生頻偏，對(duì)天線(xiàn)增益影響較小。

表2中展示了應(yīng)用于車(chē)載通信系統(tǒng)的不同文獻(xiàn)中的金屬天線(xiàn)，大部分天線(xiàn)都應(yīng)用于車(chē)頂或者鯊魚(yú)鰭罩內(nèi)，天線(xiàn)整體尺寸的寬度較大。文獻(xiàn)[15]中應(yīng)用于儀表盤(pán)內(nèi)部的天線(xiàn)，其寬度較大，實(shí)際應(yīng)用中接地板尺寸為145 mm×45 mm。本文研制的天線(xiàn)的接地板尺寸為70 mm×15 mm，在天線(xiàn)三維尺寸上具有較小的寬度，適合安裝于汽車(chē)內(nèi)部中控臺(tái)背面。除此之外，表2中展示的MIMO天線(xiàn)的隔離度均大于-20 dB，文獻(xiàn)[16?19]中的MIMO天線(xiàn)通過(guò)增大天線(xiàn)間隔距離來(lái)提高隔離度，但是天線(xiàn)隔離度沒(méi)有得到明顯提高。本文將螺旋線(xiàn)與天線(xiàn)接地板進(jìn)行連接，使得在天線(xiàn)間距離為80 mm時(shí)天線(xiàn)隔離度基本實(shí)現(xiàn)工作頻段內(nèi)小于等于-20 dB。

3" 結(jié)" 語(yǔ)

單極子天線(xiàn)采用彎曲、開(kāi)槽等諸多技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻寬帶，并引入接地枝節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)低頻段匹配和提高天線(xiàn)的物理穩(wěn)定性。不同于通過(guò)增大天線(xiàn)間距來(lái)提高隔離度的傳統(tǒng)方法，本文采用螺旋線(xiàn)將兩個(gè)單極子天線(xiàn)組合成MIMO天線(xiàn)。

天線(xiàn)仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)展示出良好的一致性，在工作頻段內(nèi)具有較好的輻射特性，反射系數(shù)小于-10 dB，天線(xiàn)隔離度基本大于-20 dB。由于加工采用較便宜的普通不銹鋼，損耗較大，以致天線(xiàn)低頻段增益和輻射效率略低；中高頻段的增益為4～7 dBi、輻射效率為70%～96%。若為了獲得較高的低頻增益而不考慮成本和材料的物理性能，可以采用高電導(dǎo)率的金屬銅作為天線(xiàn)材料。

本文研制的天線(xiàn)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、工作頻帶寬和高隔離度等優(yōu)點(diǎn)，可滿(mǎn)足車(chē)載天線(xiàn)對(duì)多頻段通信和高隔離度MIMO天線(xiàn)的技術(shù)要求，其結(jié)構(gòu)和尺寸專(zhuān)為安裝于汽車(chē)內(nèi)部中控臺(tái)背面而設(shè)計(jì)，在車(chē)載通信應(yīng)用中具有一定的實(shí)用價(jià)值。

注：本文通訊作者為林福民。

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