李祎昕 鄒歡清 王明凱 楊廣立

(上海大學(xué) 上海先進(jìn)通信與數(shù)據(jù)科學(xué)研究院, 上海 200444)

引 言

因?yàn)槟茉诓辉黾影l(fā)射功率的前提下顯著提高數(shù)據(jù)傳輸速率以及信道容量的優(yōu)秀特性,多輸入多輸出(multiple-input multiple-output, MIMO)天線系統(tǒng)受到了廣泛關(guān)注[1]. 在4G通信時(shí)代,對(duì)2單元和4單元MIMO天線已經(jīng)進(jìn)行了深入研究[2]. 然而,面對(duì)5G通信系統(tǒng)數(shù)吉比特每秒的數(shù)據(jù)率的要求,集成更多天線單元(8單元或更多天線單元)的MIMO天線成為發(fā)展的必然[3]. 如何在保持天線單元體積小的前提下,設(shè)計(jì)隔離度高且寬帶的8單元MIMO天線成為了天線工程師新的挑戰(zhàn).

近幾年,一些多頻、寬帶MIMO天線設(shè)計(jì)已經(jīng)被陸續(xù)報(bào)道. 文獻(xiàn)[4]提出了一種超寬帶MIMO天線. 該天線以兩個(gè)單極子天線為主輻射體,并用兩條地板突出枝節(jié)去耦. 此天線能覆蓋3.1～10.6 GHz的帶寬,且隔離度大于15 dB,但其本質(zhì)上仍是2×2 MIMO天線,不能滿足5G大容量通信的需要. 文獻(xiàn)[5]中的MIMO天線雖然具備陷波特性,但也只能支持2×2 MIMO. 之后,在寬帶MIMO天線的去耦合方面,又出現(xiàn)了一些有益的研究成果. 文獻(xiàn)[6]報(bào)道了一種基于刻槽微帶貼片結(jié)構(gòu)的MIMO天線. 該設(shè)計(jì)通過(guò)正交擺放形成的雙極化來(lái)提高隔離度,又用一條中央縫隙改善低頻隔離度至15 dB以上. 文獻(xiàn)[7]所報(bào)道的MIMO天線可利用寄生單元產(chǎn)生的新耦合路徑抵消原耦合. 在改善天線單元設(shè)計(jì)方面,一些學(xué)者陸續(xù)報(bào)道了采用耦合饋電[8]、共享輻射體[9]的結(jié)構(gòu).但是,以上這些設(shè)計(jì)僅僅基于2單元MIMO,其天線單元個(gè)數(shù)的可擴(kuò)展性仍需研究. 為提供更好的分集效果和更高的信道容量,文獻(xiàn)[10]展示了一種寬帶2單元MIMO天線,并成功報(bào)道了該天線可擴(kuò)展為4單元MIMO天線的能力. 文獻(xiàn)[11]報(bào)道的寬帶4單元MIMO天線采用耦合饋電改善匹配,且其天線結(jié)構(gòu)能激勵(lì)低地板電流,從而改善隔離度. 由以上敘述可見(jiàn),雖然學(xué)術(shù)界報(bào)道了一些寬帶MIMO天線設(shè)計(jì),但少有天線能夠支持8單元寬帶MIMO.

因此,面向5G高速率通信的需要,文中提出了一種寬帶8單元MIMO天線,天線單元采用多枝節(jié)單極子以增加帶寬. 在去耦合方面,利用地板突出枝節(jié)充當(dāng)寄生單元,抵消地板耦合電流. 所提出的天線在3～7.1 GHz內(nèi)反射系數(shù)小于-10 dB,在3.3～7.1 GHz內(nèi)隔離度大于15 dB. 此外,文章研究了天線的輻射性能、方向圖分集性能,計(jì)算了天線的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(envelope correlation coefficient, ECC)以及遍歷信道容量.

1 天線結(jié)構(gòu)

1.1 MIMO天線陣列的整體結(jié)構(gòu)

圖1(a)給出了天線陣列的整體結(jié)構(gòu).該MIMO天線陣列由8個(gè)形狀相同的單極子天線單元組成,8個(gè)天線單元對(duì)稱排布于一個(gè)0.8 mm厚的FR-4介質(zhì)板(相對(duì)介電常數(shù)為4.4,損耗角正切為0.02)的四邊,每邊放置2個(gè). 其中,天線1、4、5、8橫向放置,天線2、3、6、7豎向放置. 介質(zhì)板雙面鋪銅,正面為天線圖案,背面為接地板以及去耦合結(jié)構(gòu),采用從地板出發(fā)向著微帶線饋點(diǎn)的50 Ω集總端口為天線單元饋電. 介質(zhì)板長(zhǎng)和寬均為140 mm,這個(gè)尺寸適用于微型基站和無(wú)線接入點(diǎn). 兩個(gè)相鄰的橫向天線(如天線1和8)或兩個(gè)相鄰的豎向天線(如天線2和3)之間采用一個(gè)長(zhǎng)T形接地枝節(jié)去耦,相鄰的橫向天線和豎向天線(如天線1和2)之間采用兩個(gè)正交擺放的短T形接地枝節(jié)去耦. 這樣,每個(gè)天線單元的兩側(cè)各設(shè)計(jì)有一個(gè)去耦合結(jié)構(gòu). 去耦合結(jié)構(gòu)的作用將在后文闡述.

(a) MIMO陣列整體結(jié)構(gòu)(a) Geometry of the MIMO array

(b) 天線單元結(jié)構(gòu)(b) Geometry of the MIMO antenna unit圖1 提出的MIMO天線的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸Fig.1 Geometry and dimensions of the proposed MIMO antenna

1.2 寬帶天線單元的結(jié)構(gòu)

如圖1(b)所示,每一個(gè)天線單元由50 Ω微帶線在饋電點(diǎn)(A點(diǎn))饋電,天線在微帶線末端向左右分為兩支,直到B點(diǎn)和C點(diǎn). B點(diǎn)以上的E形部分由3條橫向枝節(jié)構(gòu)成,產(chǎn)生1.25波長(zhǎng)模態(tài),C點(diǎn)以上的F形部分由2條橫向枝節(jié)構(gòu)成,產(chǎn)生0.5波長(zhǎng)模態(tài)和0.75波長(zhǎng)模態(tài). 同時(shí),左右兩部分能共同產(chǎn)生一個(gè)新的0.5波長(zhǎng)模態(tài). 所有4個(gè)模式能被合并起來(lái),從而覆蓋一個(gè)很寬的帶寬(3～7.1 GHz). 因此,所設(shè)計(jì)的MIMO天線可以支持?jǐn)?shù)個(gè)用于5G通信的sub-6 GHz頻段,包含LTE band 42 (3.4～3.6 GHz)、LTE band 43 (3.6～3.8 GHz)、4-GHz 美國(guó)頻段(3.7～4.2 GHz,預(yù)研)、4.7-GHz 日本頻段(4.4～4.9 GHz,預(yù)研)、4.9-GHz中國(guó)頻段 (4.8～5 GHz)、LTE band 46 (5.15～5.95 GHz),以及6.5-GHz 美國(guó)頻段(5.9～7.1 GHz,預(yù)研). 其中,LTE band 46和6.5-GHz頻段為非授權(quán)頻譜,其他頻段皆為授權(quán)頻譜．天線還支持兩個(gè)WLAN頻段,包括5.2-GHz WLAN (5.15～5.35 GHz)和5.8-GHz WLAN (5.725～5.875 GHz). 天線的工作原理將在下文描述. 每個(gè)天線單元的兩側(cè)都有一個(gè)短T形接地枝節(jié)和一個(gè)長(zhǎng)T形接地枝節(jié),它們本質(zhì)上是寄生單極子單元,其工作原理也將在后文描述.

2 設(shè)計(jì)原理和過(guò)程

2.1 寬帶天線單元的原理

如圖2,如果去掉天線2至天線7,去掉去耦合結(jié)構(gòu),整個(gè)天線只保留一個(gè)正方形接地板和天線1時(shí),提出的天線單元可分別在頻率大約為3.2 GHz、4.3 GHz、4.9 GHz、6.8 GHz時(shí)產(chǎn)生4個(gè)諧振模式.

圖2 提出的MIMO天線單元的反射系數(shù)Fig.2 Reflection coefficient of the proposed MIMO antenna element

為理解天線單元的諧振模式,圖3給出了在只有天線單元1和正方形地板時(shí),天線單元在諧振頻率的表面電流分布.這里,用顏色表示電流的大小,用虛線箭頭表示電流的方向.在3.2 GHz,電流從左側(cè)E形部分向右側(cè)F形部分流動(dòng),中央電流最大,左右分支的尾端處電流最小,這說(shuō)明此諧振模式為左、右側(cè)枝節(jié)共同構(gòu)成的0.5波長(zhǎng)偶極子模式. 在4.3 GHz,電流從饋線出發(fā),并主要流向右側(cè)F形枝節(jié). 電流在饋線上產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn),說(shuō)明此諧振為右側(cè)F形部分的0.75波長(zhǎng)模式(一階高次模). 在4.8 GHz,電流仍集中于右側(cè)F形部分,出發(fā)于F形部分尾端,并流向C點(diǎn)右側(cè). 因此,此諧振考慮為F形部分的0.5波長(zhǎng)模式. 在6.8 GHz,電流分布于左側(cè)E形枝節(jié)并出現(xiàn)兩個(gè)零點(diǎn). 這表明此模式為左側(cè)E形部分的1.25波長(zhǎng)模式(二階高次模).

(a) 3.2 GHz (b) 4.3 GHz

(c) 4.9 GHz (d) 6.8 GHz圖3 提出的天線單元在諧振頻點(diǎn)的仿真電流分布Fig.3 Simulated current distributions of the proposed antenna element at resonant frequencies

2.2 去耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖4給出了提出的MIMO天線陣列與其他兩個(gè)參考情況(一種為去掉所有8個(gè)短接地枝節(jié),另一種為去掉所有4個(gè)長(zhǎng)接地枝節(jié))的仿真?zhèn)鬏斚禂?shù)(為簡(jiǎn)單化,只取兩個(gè)相鄰天線單元之間的傳輸系數(shù)S21和S81).接地枝節(jié)充當(dāng)寄生單極子,其能通過(guò)寄生耦合效應(yīng)抵消激勵(lì)的地板耦合電流,從而達(dá)到去耦合的目的. 如圖所示,去掉短接地枝節(jié)會(huì)惡化相鄰的橫向天線和豎向天線之間的隔離度(如S21)約5 dB,而去掉長(zhǎng)接地枝節(jié)使得相鄰兩個(gè)橫向天線或兩個(gè)豎向天線的隔離度降低(如S81)約10 dB. 為更好地平衡整個(gè)陣列的隔離度水平,在設(shè)計(jì)上需同時(shí)引入兩種接地枝節(jié).

(a) S21

(b) S81圖4 提出的MIMO天線陣列以及其他兩個(gè)參照情況的傳輸系數(shù)Fig.4 Transmission coefficients of the proposed MIMO antenna array and two referential cases

3 結(jié)果與分析

基于上文設(shè)計(jì)的天線,用CST微波工作室執(zhí)行了進(jìn)一步的仿真,并加工出了實(shí)物,實(shí)物模型如圖5所示. 首先,使用網(wǎng)絡(luò)分析儀和微波暗室測(cè)試了天線的S參數(shù)和輻射性能參數(shù). 接著,利用仿真和實(shí)測(cè)的結(jié)果計(jì)算了天線的MIMO性能參數(shù). 下文將闡述和分析所提出的8單元MIMO天線的仿真、實(shí)測(cè)和計(jì)算結(jié)果,包括S參數(shù)(反射系數(shù)、傳輸系數(shù))、輻射性能參數(shù)(增益、系統(tǒng)效率)、方向圖,以及MIMO分集和復(fù)用性能參數(shù)(包絡(luò)相關(guān)系數(shù)、遍歷信道容量).

(a) 正面(a) Positive

(b) 背面(b) Opposite圖5 提出的MIMO天線的實(shí)物模型Fig.5 Prototype of the proposed MIMO antenna

3.1 S參數(shù)

所提出的MIMO天線的S參數(shù)如圖6所示. 由于天線結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,圖中只給出1端口的反射系數(shù),以及1端口相對(duì)于其他端口的傳輸系數(shù). 結(jié)果表明,仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好. MIMO天線的反射系數(shù)在3～7.1 GHz (81.2%相對(duì)帶寬)內(nèi)能滿足反射系數(shù)小于或等于-10 dB. 借助于寄生T形結(jié)構(gòu)的去耦合效應(yīng),天線的總體隔離度水平在4.4～7.1 GHz內(nèi)大于20 dB,在3.3～4.4 GHz內(nèi)仍能大于15 dB.

(a) 仿真(a) Simulation

(b) 實(shí)測(cè)(b) Measurement圖6 8單元MIMO天線的仿真和實(shí)測(cè)S參數(shù)Fig.6 Simulated and measured S-parameters of the 8-element MIMO antenna

3.2 輻射性能

圖7給出了提出的8單元MIMO天線的系統(tǒng)效率和增益.類似地,考慮到天線結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,只給出了1端口的效率和增益. 所有的效率和增益結(jié)果都是基于MIMO多單元陣列的系統(tǒng)效率和增益,也即效率和增益的計(jì)算考慮了失配和互耦對(duì)天線輻射特性的惡化效應(yīng)[12]. 由圖可見(jiàn),由于接地T形枝節(jié)在去耦合的同時(shí)會(huì)削弱地板電流,效率和增益的曲線出現(xiàn)下陷點(diǎn). 盡管如此,天線在3～7.1 GHz的仿真系統(tǒng)效率仍能大于50%. 結(jié)果顯示,仿真效率大于80%的頻段為3.4～6.4 GHz (69.4%相對(duì)帶寬),此帶寬能夠完全覆蓋目標(biāo)sub-6 GHz頻段. 天線的仿真增益在3.4～4.2 GHz內(nèi)大于4 dBi,在4.2～6 GHz內(nèi)大于6 dBi. 由于測(cè)試系統(tǒng)以及射頻接頭的損耗,實(shí)測(cè)輻射性能指標(biāo)均略低于仿真值. 仿真和實(shí)測(cè)的增益和效率水平均能滿足室內(nèi)MIMO通信的需求.

圖7 工作頻段內(nèi)的系統(tǒng)效率和增益Fig.7 Total efficiency and gain in the operation bandwidth

圖8和圖9分別給出了天線單元1在4個(gè)典型頻點(diǎn)(3.6 GHz、4.9 GHz、5.5 GHz、6.5 GHz)以及兩個(gè)平面(xoy、yoz)上的方向圖. 在xoy面,φ向極化占主導(dǎo),在四個(gè)頻點(diǎn),最大輻射大約落在y軸兩側(cè). 在yoz面,天線的θ和φ向分量大小相近,此現(xiàn)象有利于復(fù)雜衰落信號(hào)的接收. 在y軸上,方向圖產(chǎn)生兩個(gè)下陷點(diǎn). 從整體上看,由于MIMO天線排布的對(duì)稱性,8個(gè)天線的方向圖均呈現(xiàn)出良好的互補(bǔ)和正交特性,也即天線最大輻射區(qū)域互補(bǔ),主波瓣正交. 這說(shuō)明天線具備良好的輻射分集特性.

(a) 3.6 GHz

(b) 4.9 GHz

(c) 5.5 GHz

(d) 6.5 GHz圖8 MIMO天線(以天線1為例)在xoy面的輻射方向圖Fig.8 Radiation patterns of the MIMO antenna (antenna 1) in the xoy plane

(b) 4.9 GHz

(c) 5.5 GHz

(d) 6.5 GHz圖9 MIMO天線(以天線1為例)在yoz面的輻射方向圖Fig.9 Radiation patterns of the MIMO antenna (antenna 1) in the yoz plane

3.3 MIMO分集和復(fù)用性能

如圖10所示,所提出的MIMO天線的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)是通過(guò)8個(gè)天線單元各自的三維復(fù)方向圖來(lái)計(jì)算的. 計(jì)算時(shí),假設(shè)信道傳播模型為均勻分布,且平行極化和垂直極化兩個(gè)方向上的入射波均是各向同性的[13]. 如圖所示,仿真和實(shí)測(cè)ECC變化趨勢(shì)相近. 天線的ECC在3 GHz以后均能小于0.15. 在目標(biāo)sub-6 GHz頻段,天線的ECC接近于0. 所有計(jì)算的ECC值均遠(yuǎn)小于0.5. 因此,所提出的天線能在sub-6 GHz頻段顯示出好的空間分集特性.

(a) 仿真(a) Simulation

(b) 實(shí)測(cè)(b) Measurement圖10 由三維方向圖計(jì)算得到的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)Fig.10 Envelope correlation coefficient calculated from the 3D radiation patterns

如圖11所示,假設(shè)接收端天線為非相關(guān)且無(wú)損的8個(gè)終端天線(構(gòu)成8單元MIMO終端天線陣列),提出的8單元MIMO天線充當(dāng)發(fā)射天線,即可構(gòu)成一個(gè)8發(fā)8收(8×8)的MIMO傳輸系統(tǒng). 天線在此8×8 MIMO系統(tǒng)中的信道容量是以Kronecker信道模型為基礎(chǔ),用注水法計(jì)算得到的. 假設(shè)信道為獨(dú)立同分布的瑞利衰落信道,信道狀態(tài)信息未知,發(fā)射功率分配策略為等功率分配,且接收端信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)為20 dB[14]. 則MIMO信道矩陣的元素可取為零均循環(huán)對(duì)稱復(fù)高斯隨機(jī)變量. 天線在MIMO系統(tǒng)中的遍歷信道容量是在求100 000個(gè)隨機(jī)信道容量樣本的期望后得到的,且每個(gè)樣本可由仿真和實(shí)測(cè)的天線相關(guān)性和場(chǎng)型得到. 如果進(jìn)一步假設(shè)發(fā)射端的所有8個(gè)天線單元也是非相關(guān)且無(wú)損的,就可以計(jì)算得到瑞利衰落信道環(huán)境下8×8 MIMO和2×2 MIMO系統(tǒng)的理論上限容量. 可見(jiàn),天線在3.4～6.8 GHz內(nèi)遍歷信道容量大于40 bps/Hz. 天線的峰值遍歷信道容量(仿真)約為 43 bps/Hz,其達(dá)到了相同傳播環(huán)境下2×2 MIMO系統(tǒng)容量上限值(11.5 bps/Hz)的3.74倍. 由于實(shí)測(cè)輻射性能略差于仿真值,實(shí)測(cè)MIMO信道容量相比仿真有略微降低,但實(shí)測(cè)值仍遠(yuǎn)大于2×2 MIMO上限. 所以,提出的8單元MIMO天線體現(xiàn)出了較強(qiáng)的空間復(fù)用能力.

圖11 計(jì)算得到的遍歷信道容量(信噪比為20 dB)Fig.11 Calculated ergodic channel capacity (SNR=20 dB)

4 結(jié) 論

本文提出了一種寬帶8單元MIMO天線設(shè)計(jì). 該天線陣列以多枝節(jié)單極子為天線單元. 通過(guò)激發(fā)天線單元的多個(gè)模態(tài),實(shí)現(xiàn)寬頻覆蓋. 天線單元之間加載的突出T形接地枝節(jié)能有效提高隔離度. 提出的天線的-10 dB帶寬為3～7.1 GHz,且在3.3～7.1 GHz內(nèi)隔離度大于15 dB. 天線滿足系統(tǒng)效率大于80%和增益大于4 dBi兩個(gè)條件的重疊帶寬仍然高達(dá)69.4%. 仿真和實(shí)測(cè)方向圖表明,天線能產(chǎn)生良好的輻射分集特性. 在目標(biāo)sub-6 GHz頻段,計(jì)算得到的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)接近于0,信道容量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)2×2 MIMO系統(tǒng). 因此,本天線能適用于5G大容量MIMO通信的需求.