(中國(guó)傳媒大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,北京 100024)
多輸入多輸出(multi-input multi-output,MIMO)是指在發(fā)射端和接收端同時(shí)使用多個(gè)天線來(lái)通訊的一項(xiàng)技術(shù),它的實(shí)現(xiàn)方法之一是極化分集。學(xué)者們發(fā)現(xiàn)共址正交的電偶極子和磁偶極子可以獲得兩個(gè)獨(dú)立的通道,即實(shí)現(xiàn)雙極化。Roy B. V. B.Simorangkir等人設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在2.45 GHz和5.8 GHz的天線,它有兩種正交的輻射模式TM11和TM02,其中TM11是微帶天線的輻射模式,TM02是類(lèi)似單極子的輻射模式。
在雙極化的基礎(chǔ)上,學(xué)者們更進(jìn)一步,開(kāi)始研究三極化天線。N. K. Das等人設(shè)計(jì)了一個(gè)由雙極化圓形貼片和單極子組成的三極化天線,它先通過(guò)在X、Y軸上激勵(lì)微帶天線實(shí)現(xiàn)雙極化,再在Z軸加載單極子,構(gòu)成與X、Y軸正交的第三極化。樸大志教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種工作在3.5GHz的單層三極化天線。
本文基于文獻(xiàn)[3]的設(shè)計(jì)思路,提出一種基于微帶天線的工作在毫米波頻段(28GHz)的三極化MIMO天線。
本文所述天線由HFSS繪制和仿真。如圖1,圓形金屬貼片r=4.7mm,印制在位于xoy面的εr=2.2的介質(zhì)Rogers 5880上,天線剖面厚度h=0.254mm。6個(gè)金屬通孔穿過(guò)介質(zhì)板連接貼片和地板,通孔半徑r0=0.2mm,通孔到貼片中心的距離d=3.6mm。天線通過(guò)三個(gè)SMA接頭同軸饋電。
圖1 天線的設(shè)計(jì)模型
當(dāng)端口1激勵(lì)時(shí),產(chǎn)生全向輻射,等效于沿Z軸放置的電偶極子,電場(chǎng)在通孔內(nèi)外側(cè)反向,極化方向沿Z軸,是單極子天線的TM02模式,參見(jiàn)圖2。當(dāng)端口2或3激勵(lì)時(shí),是微帶天線的TM11輻射模式,電場(chǎng)以貼片直徑為界分成兩個(gè)相反的方向,極化方向分別沿X軸和Y軸。由于2和3端口完全對(duì)稱(chēng),激勵(lì)效果一致,故本文只列出端口2激勵(lì)的結(jié)果,見(jiàn)圖3。
圖2 端口1激勵(lì)時(shí)的(a)電場(chǎng)圖,(b)xoy面方向圖,(c)yoz面方向圖
圖3 端口2激勵(lì)時(shí)的yoz面方向圖
由圖4可以看出,雙端口激勵(lì)時(shí),天線能在同一頻率下工作,端口1的阻抗帶寬為27.15GHz—28.41GHz,端口2的帶寬為27.40GHz—28.86GHz。
圖4 S參數(shù)
通過(guò)仿真,本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了同一頻率下的單極子輻射以及兩個(gè)正交微帶天線輻射,相當(dāng)于一個(gè)豎直極化的電偶極子和兩個(gè)水平極化的磁偶極子。具體來(lái)說(shuō),就是當(dāng)端口1、2、3分別激勵(lì)時(shí),可以相應(yīng)地獲得Z極化、X極化和Y極化的電磁場(chǎng),即利用多個(gè)模式完成極化分集的三極化MIMO天線設(shè)計(jì)。
本設(shè)計(jì)通過(guò)極化分集為毫米波MIMO天線提供了解決方案。理論上,3個(gè)正交的電偶極子和3個(gè)正交的磁偶極子一共能提供6個(gè)空間自由度,即六極化。在5G通信呼之欲出的今天,可以成倍提高信道容量的MIMO技術(shù),在通信領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)會(huì)更加突出,勢(shì)必引領(lǐng)一代研究熱潮。