靳高雅,杜成珠,焦哲晶,楊福慧

(1.上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,上海 200082;2.中電科微波通信(上海)有限公司,上海 201802)

美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)批準(zhǔn)3.1～10.6 GHz為民用超寬帶頻段以來,超寬帶無線電技術(shù)越來越受到研究學(xué)者的關(guān)注[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高,對超寬帶天線性能的要求也就越來越高。除了寬帶、低成本、小型化、易集成等要求外,超寬帶系統(tǒng)還要求具有濾波性能,以屏蔽民用超寬帶頻段范圍內(nèi)其他用途窄帶通信的干擾。在超寬頻應(yīng)用范圍內(nèi),現(xiàn)有的通訊系統(tǒng)包括5.15～5.35 GHz(WLAN)系統(tǒng)和3.4～3.69 GHz(WiMAX)系統(tǒng)等。因此,有必要給超寬帶天線加入相應(yīng)的阻帶來解決這一潛在問題[2-3]。

隨著第五代移動通信技術(shù)(5G)的出現(xiàn),MIMO技術(shù)被廣泛認(rèn)為是研究最多的前沿技術(shù)之一。它可以有效地擴(kuò)展系統(tǒng)的信道容量,提高通信質(zhì)量。為解決MIMO天線單元間的耦合問題,學(xué)者們提出了一系列解耦的方法,例如文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]中采用的中和線技術(shù)、文獻(xiàn)[6]中的地分支、文獻(xiàn)[7]中的寄生貼片、文獻(xiàn)[8]中的缺陷地結(jié)構(gòu)及文獻(xiàn)[9]采用超材料來進(jìn)行天線設(shè)計等。文獻(xiàn)[10-13]采用不同形狀的輻射貼片,又通過改變擺放位置、增加中和線、隔離枝節(jié)進(jìn)行解耦,最終達(dá)到了UWB-MIMO天線的工作要求,但是這些天線都沒有對窄帶通信的頻段進(jìn)行屏蔽,工作時極易受到干擾。文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[15]通過在貼片上分別開C型槽、L型槽,使天線在滿足超寬帶的前提下實(shí)現(xiàn)了單阻帶和雙阻帶的特性,但面對眾多的窄帶通信頻段,這些設(shè)計仍然無法滿足需求。

基于上述研究,本文設(shè)計了一種以FR4為介質(zhì)基板的三阻帶超寬帶MIMO天線。通過在U型輻射貼片上腐蝕兩個C型槽及在饋線兩側(cè)增加兩個對稱的C型枝節(jié)來阻斷WiMAX、WLAN和7.5 GHz-X波段的干擾,最后在接地板上引入一個T型隔離枝節(jié),從而實(shí)現(xiàn)了高隔離的特性。實(shí)測結(jié)果表明:該天線在1.89～12.95 GHz工作帶寬下可以有效隔離WiMAX、WLAN和7.5 GHz-X波段的干擾,端口隔離度均小于-20 dB,峰值增益可達(dá)6.94 dB。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所提出的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線介質(zhì)基板為FR4,相對介電常數(shù)為2.9,損耗角正切為0.002,厚度為0.8 mm。天線的整體尺寸(L×W)為58.4 mm×32.4 mm。

圖1 天線的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Configuration of the proposed antenna

通過電磁仿真軟件Ansoft HFSS 13對各天線參數(shù)的仿真和優(yōu)化結(jié)果如表1所示。

表1 天線的尺寸Tab.1 Dimensions of the proposed antenna mm

天線的設(shè)計過程如圖2所示。首先以兩個半圓形單極子天線為基礎(chǔ),通過開U形槽和在半圓形輻射貼片的兩側(cè)增加兩個相同的矩形貼片的方法延長了外圍的輻射電流路徑,從而拓展天線的工作帶寬。為了將天線的工作帶寬進(jìn)一步拓寬,選擇延長接地板上的電流路徑,因此在饋線下方的接地板上增加了一個矩形貼片,并通過在這個矩形貼片上開槽的設(shè)計來達(dá)到超寬帶的要求,從而得到了天線Ⅰ的結(jié)構(gòu)。

其次為了屏蔽窄帶通信頻段WiMAX(3.4～3.6 GHz)和WLAN(5.15～5.825 GHz)的干擾,在天線Ⅰ的輻射貼片上刻蝕了兩個C型槽,通過調(diào)整C型槽的位置和長度使其達(dá)到了兩阻帶的效果。為了隔離7.5 GHz-X波段的干擾,在饋線的兩側(cè)增加對稱的C型枝節(jié),從而實(shí)現(xiàn)了具有三阻帶特性的天線Ⅱ。

最后為了使天線Ⅱ有較高的隔離性能,選擇在接地板上引入一個T型隔離枝節(jié)來阻斷兩個天線單元之間的耦合電流,從而得到了天線Ⅲ,天線Ⅲ即本文最終所提出的天線。上述設(shè)計過程中的天線Ⅰ、天線Ⅱ、天線Ⅲ的S11和S21仿真曲線分別如圖3和圖4所示。

圖2 天線設(shè)計過程Fig.2 Antenna design process

圖3 設(shè)計過程中的S 11仿真結(jié)果Fig.3 Simulated results of S 11 in the design process

圖4 設(shè)計過程中的S 21仿真結(jié)果Fig.4 Simulated results of S 21 in the design process

根據(jù)最終的優(yōu)化模型,按照表1中的尺寸進(jìn)行了天線加工,實(shí)物如圖5所示。

2 仿真及實(shí)測結(jié)果

本文使用電磁仿真軟件Ansoft HFSS 13對天線結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行了仿真分析,并且綜合了天線實(shí)物的測試結(jié)果,對天線的S參數(shù)、電流分布圖、輻射性能、增益及ECC進(jìn)行了討論。

圖5 天線實(shí)物圖Fig.5 Photograph of the fabricated antenna

2.1 尺寸參數(shù)

選擇產(chǎn)生阻帶結(jié)構(gòu)的三個參數(shù)進(jìn)行仿真分析。產(chǎn)生阻帶的頻段理論上取決于輻射貼片上所開C型槽的位置和長度。開槽的長度均按照阻帶頻點(diǎn)的四分之一波長來設(shè)計,當(dāng)?shù)谝粋€C型槽的半徑R1發(fā)生變化時,該天線的S11仿真數(shù)據(jù)如圖6所示。從圖6可以明顯看出,隨著半徑R1的增大,3.5 GHz處的阻帶慢慢向低頻方向移動。同理,當(dāng)?shù)诙€C型槽半徑R2發(fā)生改變時,仿真結(jié)果如圖7所示,5.5 GHz處的中頻阻帶也出現(xiàn)了同樣的變化趨勢。

圖6 不同尺寸R 1的S 11仿真結(jié)果Fig.6 Simulated results of S 11 with different values of R 1

圖7 不同尺寸R 2的S 11仿真結(jié)果Fig.7 Simulated results of S 11 with different values of R 2

為了隔離7.5 GHz-X波段的干擾,在饋線的兩側(cè)增加了對稱的C型枝節(jié),因此選擇C型枝節(jié)長度相關(guān)的L11為變量進(jìn)行討論分析。仿真結(jié)果如圖8所示,隨著L11的不斷增大,高頻阻帶的頻率范圍也在向低頻方向移動。綜上所述,當(dāng)參數(shù)R1、R2、L11中一個參數(shù)發(fā)生變化時,該參數(shù)所對應(yīng)的阻帶頻點(diǎn)也會產(chǎn)生相應(yīng)的變化,而另兩個阻帶范圍所受到的影響幾乎很小,因此比較容易實(shí)現(xiàn)該天線的三阻帶特性。

圖8 不同尺寸L 11的S 11仿真結(jié)果Fig.8 Simulated results of S 11 with different values of L 11

2.2 S參數(shù)及電流分布圖

圖9為該天線仿真和實(shí)測的S11對比圖。由圖9可以看出,實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。由于實(shí)測環(huán)境的影響和傳輸線的損耗,天線實(shí)測的低頻阻帶的范圍達(dá)到了2.78～3.29 GHz,這與仿真結(jié)果相比略有變寬。在實(shí)測時,天線低于-10 dB的工作帶寬達(dá)到了1.89～12.95 GHz,并且在2.12～4.09 GHz,5.18～5.92 GHz,7 GHz～8.35 GHz處形成了S11高于-10 dB的三個阻帶,成功地抑制了WiMAX、WLAN和7.5 GHz-X波段的干擾,實(shí)測結(jié)果滿足天線設(shè)計的預(yù)期要求。

圖9 天線S 11的仿真與實(shí)測值Fig.9 Simulated and measured S 11 of the proposed antenna

圖10為該天線仿真和實(shí)測的S21對比圖。在仿真時,天線的S21值從9.62 GHz開始的高頻部分接近-20 dB,但實(shí)測時這一部分的結(jié)果很明顯比仿真結(jié)果好,高頻部分實(shí)測甚至達(dá)到了-25 dB以下。該天線的實(shí)測隔離度整體達(dá)到-20 dB以下,這一結(jié)果要遠(yuǎn)高于MIMO天線隔離度低于-15 dB的一般要求。

圖10 天線S 21的仿真與實(shí)測值Fig.10 Simulated and measured S 21 of the proposed antenna

由于MIMO天線端口的對稱性,在分析天線的電流分布時,選擇在左側(cè)端口施加激勵,右側(cè)端口接50 Ω負(fù)載,此時左側(cè)天線單元處于工作狀態(tài),仿真得到3.5,5.5和7.5 GHz三個阻帶頻點(diǎn)的電流分布圖,結(jié)果如圖11所示。從圖11(a)可以看出,天線工作在3.5 GHz時,電流主要集中在較長的C型槽附近,因此在此處開槽可以有效在WiMAX頻段形成阻帶。

圖11(b)為天線在5.5 GHz時的電流分布,此時電流主要集中在較短的C型槽附近,在此處破壞電流的流通路徑形成了WLAN頻段的阻帶。圖11(c)為天線在7.5 GHz時的電流分布情況,由圖可知,此時在C型枝節(jié)上的電流很大,那么其阻抗幾乎為零;其他部分的電流很小,那么其阻抗就很大。由于阻抗的不匹配從而在7.5 GHz-X波段生成了一個阻帶。從圖11中也可以看出,由于T型去耦結(jié)構(gòu)的存在,右側(cè)的天線單元上幾乎沒有產(chǎn)生耦合電流,從而驗(yàn)證了該MIMO天線具有良好的隔離性能。

2.3 輻射方向圖

通過電磁仿真軟件Ansoft HFSS 13和Satimo球面遠(yuǎn)場測量系統(tǒng)對本文提出的天線進(jìn)行輻射特性的研究。當(dāng)天線工作在4.5,6.5和9 GHz時,E面和H面仿真和實(shí)測輻射方向圖如圖12所示。在4.5 GHz時,天線E面的方向圖為 “8”字狀,雙向輻射效果明顯;在6.5 GHz時,E面的方向圖呈現(xiàn)近 “8”字狀,H面的方向圖接近一個圓,基本可以滿足全向性的要求;在高頻9 GHz時,由于實(shí)測環(huán)境和誤差導(dǎo)致了輻射效果有所惡化,但是整體仍可以滿足要求。

圖11 天線的電流分布圖Fig.11 The current distribution map of the proposed antenna

圖12 輻射方向圖的仿真與實(shí)測結(jié)果Fig.12 Simulated and measured results of radiation pattern

2.4 增益

圖13為該三阻帶UWB-MIMO天線的仿真和實(shí)測增益對比圖。從圖中可以看出,由于測試環(huán)境和實(shí)際誤差的存在,使實(shí)測的增益要低于仿真值,但是在3.5,5.5和7.5 GHz附近,可以看出天線的增益明顯降低,這意味著該天線可以有效地隔離WiMAX、WLAN和7.5 GHz-X波段的信號,最大實(shí)測增益可以達(dá)到6.94 dB。

圖13 增益的仿真與實(shí)測結(jié)果Fig.13 Simulated and measured results of gain

2.5 ECC

由于MIMO天線存在多條信道,因此可以采用包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(ECC)來判斷天線單元間的相互依賴程度。當(dāng)MIMO天線的信號在同向同性環(huán)境中傳播時,其相關(guān)系數(shù)計算公式如下:

由于MIMO天線端口對稱的特性,即S11和S22近似,S12和S21近似,因此將S11和S21仿真與實(shí)測結(jié)果代入式(1),最終的ECC曲線如圖14所示。由于測試時的電纜損耗和環(huán)境影響,實(shí)測的ECC結(jié)果要差于仿真結(jié)果,但是在整個超寬帶頻段內(nèi)其ECC值均小于0.05,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對MIMO天線的要求。

3 性能比較

將本文所提出天線與近幾年文獻(xiàn)所發(fā)表的UWBMIMO阻帶天線在尺寸、帶寬、阻帶范圍、隔離度、增益和ECC等方面進(jìn)行了比較,如表2所示。通過表2對比可以看出,本文所設(shè)計的天線具有較寬的工作頻帶,較高的隔離度,并且可以同時阻斷WiMAX、WLAN和7.5 GHz-X波段信號的干擾,峰值增益可達(dá)到6.94 dB。

圖14 ECC的仿真與實(shí)測結(jié)果Fig.14 Simulated and measured results of ECC

表2 天線性能參數(shù)對比Tab.2 Comparison of antenna performance parameters

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種以FR4為介質(zhì)基板的高隔離度三阻帶超寬帶MIMO天線。天線由兩個水平放置的輻射單元組成,通過開槽和增加寄生枝節(jié)有效抑制了WiMAX、WLAN和7.5 GHz-X波段的干擾,并在地板上增加T型隔離枝節(jié),從而大大提高了該MIMO天線的隔離性能。

實(shí)測結(jié)果顯示,天線的工作帶寬為1.89～12.95 GHz,分別在2.12～4.09 GHz,5.18～5.92 GHz,7～8.35 GHz處形成了三個S11高于-10 dB的阻帶,工作頻帶內(nèi)的端口隔離度均低于-20 dB。此外,對該天線也進(jìn)行了遠(yuǎn)場輻射方向圖、增益和ECC的仿真和實(shí)測,結(jié)果表明天線具有良好的輻射性能、較高的隔離性能和增益。該天線在可抑制窄帶干擾信號的超寬帶通信領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。