李凱佳, 杜成珠, 鄭煒晴, 焦哲晶

(上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

近年來,隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展,移動通信逐漸從第一代通信發(fā)展到目前廣為普及的第四代移動通信,且第五代通信技術(shù)商用測試正在穩(wěn)步進行中。隨著5G通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展,人們對通信設(shè)備的性能也提出了新的要求。相比4G通信,5G能提高10倍的信號傳輸速率、降低至毫秒級別的傳輸延時,以及上百倍的終端設(shè)備連接。但目前無線通信使用的頻譜資源十分有限,因此利用高頻段通信是5G移動通信的必然趨勢[1]。

毫米波(Millimeter Wave,mm Wave)多天線技術(shù)是滿足海量數(shù)據(jù)高速率通信需求的關(guān)鍵技術(shù)之一。與現(xiàn)有的微波頻段不同,毫米波的頻譜資源十分豐富,但毫米波信號繞射能力差、在空氣中衰減大,因此對抗嚴重的路徑損耗是毫米波通信亟待解決的問題。多天線技術(shù)(Multiple Input Multiple Output,MIMO)是在信號發(fā)射端使用多個發(fā)射天線,同時在信號接收端也對應(yīng)地使用多個接收天線構(gòu)成的多路信號傳輸物理路徑。相比單天線系統(tǒng),其傳輸容量得到極大的提升。毫米波天線尺寸小、易集成,因此在毫米波傳輸中結(jié)合MIMO能夠取得良好的效果。

微帶天線具有重量輕、體積小、剖面低以及易集成于微波電路等優(yōu)點,因此在移動通信、電子導(dǎo)航、雷達信號等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但由于微帶天線有帶寬窄和輻射增益低等缺點,其帶寬一般只達到0.7%～7.0%,從而限制了微帶天線的應(yīng)用范圍[2]。如何拓展微帶天線的帶寬成為熱門的研究課題。研究者提出的拓展微帶天線帶寬的技術(shù)主要有:選擇介電常數(shù)εr較小的介質(zhì)基板;改變輻射貼片基本形狀;增加介質(zhì)基板的厚度,對輻射貼片開槽開縫;增加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò);增加寄生貼片或者采取電磁耦合饋電方式等[3]。

TANG M C等人[4]提出了一種印刷槽形天線,天線頂部是橢圓凹槽內(nèi)的寄生橢圓貼片,饋線放置在FR4介質(zhì)基板的底部,基片設(shè)計為橢圓音叉結(jié)構(gòu),帶寬為2.26～22.18 GHz。SINGHAL S等人[5]提出了一種緊湊共面波導(dǎo)饋電六邊形單極子天線。天線開了5個方形槽,其中較大的一個方形槽在輻射貼片的正中間,整個天線結(jié)構(gòu)對稱,帶寬為3.4～37.4 GHz。RAHMAN M N等人[6]研究了一種由開槽圓形輻射貼片和非對稱接地面組成的微帶寬帶共向微波饋電天線,帶寬為4.0～19.8 GHz。SAHA T K等人[7]提出了在饋線上開矩形槽的帶寬增強天線,帶寬為4～40 GHz,但實際測量的頻率范圍只有4～20 GHz。ALDWAIRI M O等人[8]設(shè)計了4個不同開槽形狀接地面的小型微帶天線,帶寬為3.1～35 GHz,采用剛性FR4材料作為介質(zhì)基板。

帶寬展寬技術(shù)的應(yīng)用對拓展微帶天線帶寬起到了良好的效果,但也存在一些不足。例如:增加介質(zhì)基板的厚度會使微帶天線的重量增加;采用特殊的輻射貼片形狀,增加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)或者增加寄生貼片會提高天線設(shè)計的復(fù)雜性,從而增加天線制造的難度。本文提出了一種新型的寬帶毫米波MIMO天線,其天線單元為六邊形貼片,通過開槽和切邊拓寬天線的帶寬。

1 寬帶毫米波MIMO天線單元結(jié)構(gòu)

本文提出的六邊形寬帶毫米波MIMO天線單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線單元尺寸為23.6×15.4×0.1 mm。該天線單元由底部的介質(zhì)基板覆蓋其上的金屬天線貼片以及金屬共面波導(dǎo)接地面組成。介質(zhì)基板采用LCP(liquid crystal polymer)材料。LCP材料的介電常數(shù)εr=2.9,介質(zhì)損耗角正切值tanδ=0.002,厚度h1=0.1 mm。輻射貼片的主體為六邊形結(jié)構(gòu)。為改變貼片上電流分布流向,提高阻抗匹配,在貼片的下部開了一個倒凸形槽,并在貼片邊緣進行了部分切除處理。為了改變共面接地面上電流傳輸方向,對共面接地平面作漸變處理,使其呈現(xiàn)為上窄下寬梯形結(jié)構(gòu)。天線單元的饋電方式選擇共面波導(dǎo)饋電形式,50 Ω饋線與貼片連接于六邊形貼片底邊的正中間。

圖1 寬帶毫米波天線單元結(jié)構(gòu)

圖1中各個變量為天線單元的結(jié)構(gòu)變量,通過HFSS軟件對該天線單元參數(shù)進行仿真與優(yōu)化,其中,Lsub為介質(zhì)基板長度,Wsub為介質(zhì)基板寬度,Wf為饋線寬度,t為其面波導(dǎo)間隙寬度,L01為凸型槽長度,W01為凸型槽寬度。最后設(shè)計尺寸結(jié)果如表1所示。

表1 天線基本結(jié)構(gòu)尺寸 單位:mm

2 寬帶毫米波MIMO天線單元設(shè)計過程

設(shè)計過程分為3個主要步驟。

步驟1 設(shè)計出基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的天線單元,天線單元由輻射貼片、共面微帶饋線、共面接地面和底部的介質(zhì)基板組成。輻射貼片形狀選取為六邊形,底邊方向朝下。共面微帶饋線與貼片的連接點在六邊形底邊中點。該步驟下天線的仿真結(jié)果在5.1～41.8 GHz頻帶范圍內(nèi),回波損耗S11小于-10 dB標準;在8.4～11.3 GHz,27.3～28.6 GHz條件下,回波損耗S11大于-10 dB。

步驟2 改變共面接地平面形狀,采用上窄下寬的漸變結(jié)構(gòu),共面接地面呈直角梯形形狀,改變電流傳輸方向,拓展頻帶帶寬并減小回波損耗。

步驟3 在輻射貼片上蝕刻倒“凸”型槽,改變貼片底部與微帶饋線連接處電流分布,減小回波損耗。在底部增加矩形結(jié)構(gòu),減小與共面接地面間距,增強諧振,進一步減小回波損耗。另外,在輻射貼片兩邊的邊緣進行部分切除處理,對回波損耗S11進行微調(diào)。

具體設(shè)計步驟及相應(yīng)電流分布如圖2所示。

圖2 MIMO天線單元設(shè)計步驟及相應(yīng)電流分布

由圖2可以看到:步驟2中,共面接地面改為直角梯形后,電流傳輸方向改變,六邊形貼片上電流流向兩邊;步驟3中,開槽后,貼片中電流分布變化更加明顯,偏向左右兩側(cè)。

寬帶天線單元設(shè)計過程中回波損耗S11參數(shù)曲線變化情況如圖3所示。

圖3 寬帶毫米波MIMO天線單元各步驟S11參數(shù)曲線

步驟1時,天線單元的回波損耗S11參數(shù)曲線在5.1～41.8 GHz頻帶內(nèi),大部分回波損耗小于-10 dB;在8.4～11.3 GHz,27.3～28.6 GHz范圍內(nèi),回波損耗大于-10 dB。步驟2時,天線單元的回波損耗S11參數(shù)曲線在8.4～11.3 GHz頻帶內(nèi),回波損耗小于-10 dB。步驟3時,回波損耗S11參數(shù)曲線天線帶寬略微拓寬,在27.3～28.6 GHz頻帶內(nèi),回波損耗小于-10 dB。

3 MIMO天線仿真結(jié)果與分析

將2個天線單元橫向并列擺放,組成1個二元MIMO天線。二元寬帶毫米波MIMO天線結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 二元寬帶毫米波MIMO天線結(jié)構(gòu)

通過HFSS仿真軟件對MIMO天線進行仿真,其S參數(shù)仿真結(jié)果如圖5所示。矩形線表示仿真的回波損耗S11參數(shù)曲線,圓形連線表示仿真的S12參數(shù)曲線。由圖5可以看出,MIMO天線仿真的回波損耗S11參數(shù)小于-10 dB時,天線的工作頻率為5.1～41.8 GHz,相對帶寬(即信號帶寬與中心頻率之比)為156.5%。同時,在5.1～41.8 GHz頻帶范圍內(nèi),S12參數(shù)曲線的最大值為-21.8 dB,整體小于-20 dB,可以滿足MIMO天線隔離度小于-15 dB的規(guī)格要求。

圖5 寬帶毫米波MIMO天線S參數(shù)曲線

圖6為MIMO天線仿真的增益-頻率曲線。選取φ=0°平面為增益取值面,可以看到,在5.1～41.8 GHz頻率范圍內(nèi),增益最小值為1.55 dB,最大值為4.01 dB。

圖6 寬帶毫米波MIMO天線增益-頻率曲線

圖7為MIMO天線不同頻率遠場輻射方向圖,是在端口1輸入信號且端口2匹配時的仿真結(jié)果。在MIMO天線正常工作頻率范圍內(nèi),分別仿真了頻點6.5 GHz,15.8 GHz,34.6 GHz的E面和H面輻射方向圖。

圖7 寬帶毫米波MIMO天線遠場輻射方向圖

對于H面(θ=90°),MIMO天線在低、中、高3個頻點的方向圖都為圓形,其中高頻點略有變形,但都具有良好的全向輻射特性;對于E面(φ=90°),在低頻點6.5 GHz處,MIMO天線的方向圖形為“8”字型,在中高頻點的方向圖有些許變形,但都具有一定的方向性。由此可知,MIMO天線的E面、H面方向圖與單極子天線輻射方向一致,具有良好的輻射特性,符合超寬帶(Ultra Wide Band,UWB)天線輻射方向規(guī)定的要求。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種新型六邊形寬帶毫米波MIMO天線。天線工作帶寬為5.1～41.8 GHz。通過優(yōu)化調(diào)節(jié)六邊形尺寸,對共面波導(dǎo)接地面采取漸變處理,并在天線貼片上挖倒“凸”字型槽,使得天線帶寬變寬,使其在5.1～41.8 GHz范圍內(nèi)回波損耗均小于-10 dB,天線的隔離度整體小于-20 dB。方向圖呈現(xiàn)良好的輻射特性,說明該天線在毫米波通信中具有良好的應(yīng)用前景。