具有雙陷波特性的小型化超寬帶MIMO天線設(shè)計(jì)

景夢(mèng)嬌，吳 濤，蔡 洋，曹玉凡，李 森

（航天工程大學(xué)，北京 101400）

0 引 言

在當(dāng)今的無(wú)線通信中，超寬帶（Ultra-wide Band，UWB）技術(shù)具備低功耗、高數(shù)據(jù)速率等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得該技術(shù)在無(wú)線通信領(lǐng)域受到眾多的青睞。UWB技術(shù)應(yīng)用廣泛，例如，雷達(dá)的無(wú)線跟蹤及識(shí)別、醫(yī)療設(shè)備等。但是研究發(fā)現(xiàn)，信號(hào)在多徑環(huán)境傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生衰落，降低UWB系統(tǒng)的信號(hào)傳輸效率和傳輸質(zhì)量。而多收多發(fā)（Multiple-input Multiple-output，MIMO）技術(shù)通過在發(fā)射端和接收端放置多個(gè)天線單元，增加信道容量，提升信道的傳輸質(zhì)量。因此，將UWB技術(shù)和MIMO技術(shù)結(jié)合形成的UWB-MIMO技術(shù)，具有較高的信道容量和信道傳輸質(zhì)量，在無(wú)線通信系統(tǒng)中占有重要地位。

但是在很多實(shí)際場(chǎng)景中，對(duì)UWB-MIMO技術(shù)的要求較高，需要天線達(dá)到盡可能小型化以便更好地集成到實(shí)際系統(tǒng)中。小型化設(shè)計(jì)方法不斷被提出，例如分形技術(shù)、對(duì)稱半切技術(shù)、在天線接地板上設(shè)計(jì)不同形狀的槽縫等，但過小的天線體積在實(shí)現(xiàn)高隔離和陷波特性時(shí)有較高的難度，目前的高隔離研究設(shè)計(jì)中，主要利用在天線單元之間加載中和線、縫隙天線或寄生結(jié)構(gòu)，也可將天線單元正交放置，改善天線的隔離性能等，但是這會(huì)無(wú)意間加大天線系統(tǒng)的體積。同時(shí)，在復(fù)雜的通信環(huán)境中，除了UWB通信系統(tǒng)的存在，也有一些其他頻段，如WIMAX/C頻段、WLAN頻段和X頻段在UWB工作頻段內(nèi)，窄帶會(huì)對(duì)UWB輻射產(chǎn)生干擾。為避免這種干擾，可以通過蝕刻不同形狀的槽縫，或在天線附近加載寄生枝節(jié)實(shí)現(xiàn)陷波特性，阻止窄帶波段對(duì)UWB輻射產(chǎn)生的干擾。MIMO天線在實(shí)現(xiàn)陷波功能時(shí)，會(huì)受到單元體積和空間體積的影響，開縫隙和加載寄生耦合枝節(jié)很難產(chǎn)生雙陷波特性，故在小型化的MIMO天線系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)高隔離的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)雙陷波特性就顯得尤為艱難。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了具有雙陷波特性的小型化超寬帶MIMO天線，天線尺寸較小，僅為32 mm×24 mm×0.8 mm，可以更好地集成到各種無(wú)線通信設(shè)備，并且具備WLAN和X波段的雙陷波特性，有效防止了窄帶對(duì)超寬帶傳輸造成的干擾，除此之外，天線隔離度可以達(dá)到20 dB，滿足MIMO天線在實(shí)際工程中對(duì)于隔離度高于15 dB的需求。經(jīng)仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，天線性能良好，可以廣泛應(yīng)用于各種無(wú)線通信設(shè)備。

1 MIMO天線結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)分析

1.1 天線結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的MIMO天線和單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線位于介電常數(shù)為4.4的FR-4基板上，整體尺寸為32 mm×24 mm×0.8 mm。兩個(gè)天線單元對(duì)稱放置，天線單元間有T型枝節(jié)，兩饋線附近有倒U型寄生枝節(jié)，通過HFSS仿真優(yōu)化，得到系統(tǒng)尺寸參數(shù)如表1所示。

圖1 MIMO天線系統(tǒng)及天線單元

表1 MIMO天線尺寸表 mm

1.2 天線設(shè)計(jì)分析

本文所設(shè)計(jì)的MIMO天線單元為裁剪的分形單極子天線。首先利用迭代函數(shù)系統(tǒng)（IFS）生成分形幾何結(jié)構(gòu)，對(duì)單極子天線做分形處理。以分形結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在天線四周裁剪1 4半圓，得到最終的結(jié)構(gòu)單元。如圖2所示，矩形單極子天線a）作為基礎(chǔ)單元，分形后得到結(jié)構(gòu)單元b），進(jìn)一步裁剪得到最終的天線單元c）。分形和裁剪均可降低天線最低諧振頻率，使天線單元覆蓋4～13 GHz頻段，天線單元尺寸縮減45%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)小型化和寬帶寬的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖2 天線單元及反射系數(shù)進(jìn)化圖

分形幾何結(jié)構(gòu)的原理如圖3所示，用相同的比例因子對(duì)水平和垂直兩個(gè)方向的圖像進(jìn)行4倍收縮，創(chuàng)建16個(gè)小矩形，將中間部分的4個(gè)矩形去除。這種技術(shù)得到的分形天線在保證寬帶特性的同時(shí)，可將單元體積縮減25%。

圖3 迭代函數(shù)系統(tǒng)方法

要保證天線系統(tǒng)的超寬帶和陷波性能，需對(duì)MIMO天線進(jìn)一步設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 MIMO天線系統(tǒng)及反射系數(shù)進(jìn)化圖

由圖4可知，將2個(gè)天線單元對(duì)稱放置在FR-4介質(zhì)基板上，如圖4a）所示。為了降低天線最低諧振頻率，在天線單元之間加載T型接地枝節(jié)，如圖4b）所示，此時(shí)天線工作頻段為3～12 GHz，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的UWB頻段范圍。為了防止一些窄帶對(duì)天線輻射產(chǎn)生干擾，在饋線附近加載兩個(gè)寄生枝節(jié)1和2，如圖4c）所示，可分別實(shí)現(xiàn)7.2～8.6 GHz和5～6 GHz波段的雙陷波特性。

圖5為有無(wú)T型枝節(jié)隔離度仿真對(duì)比圖。由圖5可知，加載T型枝節(jié)天線隔離度大大提高，并滿足MIMO天線對(duì)于隔離度的最低要求-15 dB。由此，在天線單元之間加載T型接地枝節(jié)，不僅可以降低天線最低諧振頻率，還可降低天線之間的耦合。

圖5 有無(wú)T型結(jié)構(gòu)隔離度對(duì)比

綜上，本文所提出的MIMO天線可以覆蓋UWB的工作頻段，具備WLAN和X波段的陷波特性，且天線體積較小，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。

在對(duì)陷波特性進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，抑制的頻段范圍可分別通過和進(jìn)行調(diào)控，如圖6所示。

圖6 加載不同長(zhǎng)度枝節(jié)時(shí)天線反射系數(shù)對(duì)比圖

2 MIMO天線設(shè)計(jì)與制造

基于表1的數(shù)據(jù)對(duì)天線進(jìn)行加工和測(cè)試，得到天線系統(tǒng)的實(shí)物和測(cè)試圖分別如圖7a）和圖7b）所示。

圖7 天線系統(tǒng)示意圖

分別對(duì)兩個(gè)端口的參數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)，得到MIMO天線參數(shù)仿真和實(shí)測(cè)對(duì)比圖，反射系數(shù)如圖8a）所示，傳輸系數(shù)如圖8b）所示。由圖8可知，天線在實(shí)測(cè)和仿真中均可覆蓋3～11.5 GHz的超寬帶頻段，在WLAN和X波段具有雙陷波特性。在工作頻段內(nèi)隔離度大于20 dB，具有良好的隔離效果。綜合上述指標(biāo)，MIMO天線仿真和測(cè)試數(shù)據(jù)基本一致，具有良好的性能，滿足實(shí)際工程需要。

圖8 MIMO天線參數(shù)

由圖8可知，天線在3.5 GHz，6 GHz，9 GHz產(chǎn)生諧振。對(duì)MIMO天線在三個(gè)諧振頻率的方向圖進(jìn)行分析。圖9為天線在三個(gè)諧振點(diǎn)的面、面歸一化方向圖。由圖9可知，天線在仿真和測(cè)試中方向圖良好，具有全向輻射的特性，利于MIMO天線在各個(gè)方向上發(fā)射和接收信號(hào)。

圖9 不同頻率下天線xOz、yOz平面方向圖

3 MIMO性能分析

為了驗(yàn)證MIMO天線的性能，還需要考慮分集增益（DG）、包絡(luò)相關(guān)系數(shù)（ECC）、平均有效增益（MEG）和信道容量損耗（CCL）等重要的性能參數(shù)。參數(shù)ECC表明一個(gè)天線輻射模式與其他天線輻射模式的相關(guān)性，較低的ECC代表了較高的DG，如果ECC值過高，會(huì)降低天線的性能。ECC越低，DG越高，則MIMO天線在信道中的傳輸質(zhì)量就越高，ECC和DG的表達(dá)式如下。

通過參數(shù)得到仿真和實(shí)測(cè)的ECC和DG分別如圖10a）和圖10b）所示。由圖10可知，天線ECC在仿真和實(shí)測(cè)中，均低于0.05，遠(yuǎn)小于MIMO系統(tǒng)對(duì)ECC的要求值，天線的DG始終大于9.75 dB，天線系統(tǒng)表現(xiàn)出較低的ECC和較高的DG，天線在信道中傳輸質(zhì)量較高，表現(xiàn)出良好的MIMO性能。

圖10 MIMO天線包絡(luò)相關(guān)系數(shù)和分集增益

此外，考慮到環(huán)境對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，需要通過MEG參數(shù)度量天線的增益性能。兩個(gè)端口的MEG可由參數(shù)得到。

MEG和MEG分別為第一端口和第二端口的平均有效增益，對(duì)于MIMO天線系統(tǒng)，兩個(gè)端口的MEG差值應(yīng)小于3 dB。圖11a）顯示了MIMO天線在仿真和實(shí)測(cè)中的MEG。由圖11a）可知，天線系統(tǒng)兩個(gè)端口的MEG差值均小于3 dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

CCL是描述MIMO天線系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到的最大上限，在此上限下，數(shù)據(jù)可以在通道上不斷傳輸。CCL的值用下式來(lái)計(jì)算：

通過參數(shù)得到仿真和模擬的CCL如圖11b）所示。由圖11b）可知工作頻帶內(nèi)CCL的值低于0.15 b·s·Hz，小于CCL的最小限值0.4 b·s·Hz。

圖11 MIMO天線的平均有效增益和天線信道容量損耗

將本文所設(shè)計(jì)的超寬帶MIMO天線與近五年類似文獻(xiàn)對(duì)比，得到天線對(duì)比數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知，與其他文獻(xiàn)相比，本文所設(shè)計(jì)的MIMO天線在超寬帶工作頻段內(nèi)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的小型化、雙陷波特性，具備良好的工作效能。

表2 天線系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種具有雙陷波特性的小型化超寬帶MIMO天線。融合分形技術(shù)和裁剪技術(shù)，對(duì)矩形單極子天線單元進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)超寬帶天線的小型化設(shè)計(jì)，在天線單元間加載接地枝節(jié)改善隔離效果，在饋線附近加載寄生枝節(jié)實(shí)現(xiàn)雙陷波特性，仿真和實(shí)測(cè)均表現(xiàn)出良好的特性。結(jié)果表明，天線體積僅為32 mm×24 mm×0.8 mm，帶寬為3～11.5 GHz，具備WLAN和X波段的雙陷波特性，且在工作頻段內(nèi)，天線系統(tǒng)全向性較好，隔離度高于20 dB，具有較低的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)和較高的分集增益。該超寬帶MIMO天線體積較小，具有高隔離和雙陷波特性，性能良好，可廣泛應(yīng)用于多數(shù)無(wú)線通信設(shè)備。