高明明 宋楊 南敬昌 李春晨

（1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院, 葫蘆島 125105；2. 大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 大連 116026）

引 言

多輸入多輸出(multiple-input multiple-output，MIMO)和超寬帶(ultra-wideband, UWB)是這個(gè)時(shí)代引領(lǐng)無線通信系統(tǒng)快速發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)[1]. MIMO 天線通過在無線通信系統(tǒng)的輸入和輸出端部署多個(gè)天線，提高了通信系統(tǒng)的信噪比、容量和數(shù)據(jù)率；并有助于減少多徑衰落，從而提高系統(tǒng)的性能[2]. 設(shè)計(jì)MIMO 天線系統(tǒng)時(shí)要考慮到有限空間的可用性，及各種天線單元之間的電磁隔離[3]. 高阻抗帶寬、低耦合、高隔離、低包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(envelope correlation coefficient, ECC)和高分集增益(diversity gain, DG)是影響超寬帶MIMO 天線高效設(shè)計(jì)的主要因素[4]. 緊密放置的天線單元間會產(chǎn)生耦合電流，這種耦合電流會影響到天線的性能，為了與現(xiàn)代便攜式小型通信設(shè)備兼容，需要設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)緊湊的UWB-MIMO天線[5].

文獻(xiàn)[6] 通過在接地板上采用Minkowski 分形的缺陷地結(jié)構(gòu)(defected ground structure, DGS)進(jìn)行天線的去耦，天線尺寸為27 mm×42 mm，天線的隔離度為19 dB. 文獻(xiàn)[7] 在接地板上采用互補(bǔ)諧振環(huán)(complementary split ring resonator ,CSRR)結(jié)構(gòu)進(jìn)行去耦，天線尺寸為23 mm×29 mm，天線的隔離度為15 dB. 文獻(xiàn)[8]在天線單元之間加載F 形枝節(jié)，天線的隔離度大于20 dB，尺寸為50 mm×30 mm. 文獻(xiàn)[9]將兩個(gè)天線單元對稱放置在尺寸為19 mm×30 mm的FR4 介質(zhì)基板上，并在天線單元上加載T 形接地結(jié)構(gòu)，使得隔離度大于18 dB. 文獻(xiàn)[10] 采用I 形接地結(jié)構(gòu)使得隔離度為18 dB，尺寸為40 mm×29 mm.文獻(xiàn)[11] 提出了一種四端口天線，尺寸為34 mm×34 mm，通過正交放置天線元件，并在天線單元之間放置矩形短截線，使得天線的隔離度達(dá)到了15 dB.文獻(xiàn)[12] 采用平面懸浮線(planar suspended line,PSL)技術(shù)提高隔離度，使天線隔離度達(dá)到21 dB，尺寸為20 mm×36 mm. 文獻(xiàn)[13]加載中和線技術(shù)在兩個(gè)天線單元之間，降低了天線單元之間的電流耦合，隔離度大于22 dB，尺寸為21 mm×34 mm. 文獻(xiàn)[14]通過加載電磁帶隙(electromagnetic band gap, EBG)結(jié)構(gòu)，使尺寸為31 mm×26 mm 的兩端口UWB-MIMO天線的隔離度達(dá)到22 dB. 文獻(xiàn)[15]提出了一種地面分離的二端口UWB-MIMO 天線，使天線的隔離度大于15 dB，天線尺寸為42 mm×24 mm. 文獻(xiàn)[16]采用柵欄形結(jié)構(gòu)的背板，使得天線的隔離度達(dá)到25 dB，尺寸為50 mm×35 mm. 文獻(xiàn)[17]采用正交放置兩個(gè)單元天線獲得兩正交分布的方向圖，使端口間的隔離度高于15 dB，天線尺寸為46 mm×46 mm，實(shí)現(xiàn)了2.95～11.2 GHz 的工作帶寬.

本文研究并設(shè)計(jì)了一種可以提高UWB-MIMO天線單元隔離的技術(shù). 天線正面使用扳手形微帶饋線實(shí)現(xiàn)超寬帶的阻抗帶寬，背板采用類F 形接地板提高天線的隔離度. 設(shè)計(jì)的天線在3～13.5 GHz 工作頻帶內(nèi)的隔離度高于22 dB，在提高帶寬和隔離度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了天線的小型化 (30 mm×18 mm)，非常適合集成到便攜式通信設(shè)備中.

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線模型

該天線正面由兩個(gè)相同的扳手形微帶饋電的圓形輻射貼片組成，背板在類F 形接地結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開槽處理. 結(jié)構(gòu)如圖1 所示，兩個(gè)輻射元件和饋線設(shè)計(jì)在基板的頂部，地平面設(shè)計(jì)在基板的底部. 頂部貼片采用圓形貼片并排放置，采用扳手形饋線實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配.

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 The antenna structure

通過電磁仿真軟件HFSS 對天線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)得天線尺寸為30 mm×18 mm×1.6 mm. 表1給出了UWB-MIMO 天線結(jié)構(gòu)的最終優(yōu)化尺寸.

表1 UWB-MIMO 天線尺寸Tab. 1 Demension of the UWB-MIMO antenna mm

1.2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

1.2.1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 為所提出天線的設(shè)計(jì)過程. 首先設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的圓形輻射器以獲得所需要的天線1；然后通過在地平面上加載I 形短截線改善隔離度，同時(shí)將矩形微帶饋線優(yōu)化為階梯型微帶饋線，獲得了4～7.5 GHz 和8.3～10.5 GHz 頻段內(nèi)的阻抗帶寬，得到天線2；改善天線2 的矩形微帶饋線為扳手形微帶饋線以擴(kuò)寬天線的帶寬為3.2～12.9 GHz，同時(shí)優(yōu)化I形短截線為雙I 形短截線，得到天線3，在4.1～12 GHz的頻段內(nèi)隔離度已達(dá)到20 dB，但在3.1～4.1 GHz 頻段的隔離度仍不理想；為了達(dá)到更好的隔離效果，優(yōu)化雙I 形短截線為類F 形短截線并進(jìn)行開槽處理以獲得更好的隔離度，得到天線4，最終天線的阻抗帶寬為3～13.5 GHz，隔離度為22 dB.

圖2 天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)演變過程Fig. 2 The design evolution of the antenna structure

圖3 為4 種天線結(jié)構(gòu)的S 參數(shù)仿真. 類F 形短截線的總長度為λ0/4 (λ0為5 GHz 處對應(yīng)的波長)，對天線的隔離性能有很大的影響，具體有兩個(gè)作用：1)充當(dāng)反射器，分離單元天線之間的輻射，從而減小單元天線之間的耦合. 從圖3(b) 可以看出，在整個(gè)UWB 帶寬中，類F 形短截線將隔離度提高到22 dB 以上，有助于提高同一頻率范圍內(nèi)的隔離度.2)充當(dāng)輻射器，并引入5 GHz 和6.8 GHz 兩個(gè)共振，如圖3(a)所示. 引入類F 形短截線有助于改善天線在整個(gè)超寬帶范圍內(nèi)匹配較差的問題. 此外，在5 GHz 的低共振也將天線的低截止頻率移至3 GHz. 通過改變類F 形短截線的內(nèi)部切槽形狀可以獲得更多的共振，以此提高單元天線之間的隔離度.

圖3 4 種天線結(jié)構(gòu)的S 參數(shù)仿真Fig. 3 Simulation of S parameters of 4 antenna structures

1.2.2 天線表面電流分析

圖4 所示為3 GHz 處改進(jìn)MIMO 天線的表面電流分布圖，并對地面的改變對天線隔離的影響作了進(jìn)一步分析. 可以看出：圖4(a)中，隨著端口1 的激勵(lì)，大量的電流耦合到了端口2；圖4(b)中，引入I 形接地板降低了這種耦合效應(yīng)；圖4(c)中，在雙I 形的接地板上，在第二天線的表面上只觀察到少許的電流；圖4(d)中，在第二天線的表面只觀察到細(xì)微的電流. 因此，通過接地面的改變實(shí)現(xiàn)了MIMO 天線的高隔離.

圖4 4 種天線步驟的表面電流分布Fig. 4 Surface current distributions of 4 antenna design steps

取不同頻點(diǎn)的天線4 呈現(xiàn)的電流分布來觀察天線的隔離程度，圖5 所示為當(dāng)左側(cè)輻射元件被激勵(lì)時(shí)在2 GHz，6 GHz，8 GHz 和10 GHz 時(shí)的電流分布.通過激勵(lì)端口1，可以清楚地觀察到類F 形接地板對端口之間耦合電流的吸收，有效地提高了兩個(gè)單極子天線之間的端口隔離度.

圖5 不同頻點(diǎn)處天線4 表面電流分布Fig. 5 The surface current distribution of antenna 4 at different frequencies

2 實(shí)驗(yàn)仿真與測量

2.1 S 參數(shù)

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的UWB-MIMO 天線性能，制作實(shí)物天線并進(jìn)行測量，圖6 所示為UWBMIMO 天線的實(shí)物圖片.

圖6 UWB-MIMO 天線實(shí)物圖Fig. 6 Prototype of the UWB-MIMO antenna

該天線采用介電常數(shù)為4.4、損耗角正切為0.002、厚度為1.6 mm 的FR4 介質(zhì)基板，天線的饋線末端連接SMA-K 型接頭. 通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量天線的S 參數(shù). 圖7 所示為UWB-MIMO 天線S 參數(shù)的實(shí)測和仿真結(jié)果，可以看出，天線具有3～13.5 GHz的阻抗帶寬，在阻抗帶寬內(nèi)隔離度高于22 dB. 實(shí)測和仿真的S11和S21參數(shù)均基本一致.

圖7 UWB-MIMO 天線S 參數(shù)的仿真和實(shí)測值Fig. 7 S parameters of UWB-MIMO antenna: simulation and measurement

2.2 輻射特性

圖8 是UWB-MIMO 天 線 在4 GHz，7 GHz 和11 GHz 頻率下E 面和H 面上測得的端口1 或端口2 二維輻射方向圖. 可以看出：在低頻中頻時(shí)的方向圖是全方位的、穩(wěn)定的，該天線在H 面表現(xiàn)出全方位的輻射特性，E 面的方向圖呈現(xiàn)“8”字狀；在較高頻率時(shí)由于高級模導(dǎo)致了輻射波瓣的分裂，高頻方向圖發(fā)生了畸變. 該UWB-MIMO 天線有利于接收和發(fā)送各個(gè)方向的信號，從而實(shí)現(xiàn)MIMO 的功能.

圖9 是天線的峰值增益和輻射效率隨頻率變化的結(jié)果，在工作頻帶內(nèi)，天線的峰值增益大致為1.5～4.5 dBi. 另外，從圖9 還可以看到該天線在超寬帶頻段內(nèi)具有較高的輻射效率，均大于70%.

圖9 UWB-MIMO 天線的峰值增益與輻射效率Fig. 9 The peak gain and radiation efficiency of the UWBMIMO antenna

2.3 分集增益(DG)

ECC 是一個(gè)重要的MIMO 性能參數(shù)，決定了天線元件之間的分集程度. 在理想環(huán)境下，ECC 值為零；但在實(shí)際設(shè)計(jì)加工時(shí)，達(dá)不到理想值. MIMO 天線元件必須滿足ECC＜0.5 的標(biāo)準(zhǔn)[18]，才能在MIMO天線元件之間實(shí)現(xiàn)更高的分集. 對于兩端口MIMO天線，使用式(1)來計(jì)算ECC，式(2)計(jì)算DG：

2.4 總有效反射系數(shù)(TARC)

對于多端口天線系統(tǒng)，相鄰的天線單元相互影響，同時(shí)影響工作時(shí)整體的工作帶寬和效率，僅依靠S 參數(shù)不足以預(yù)測實(shí)際的系統(tǒng)行為，因此引入新的度量方法，即總有效反射系數(shù)(total active reflection coefficient, TARC). 雙端口MIMO 系統(tǒng)的TARC 可以用式(3)來計(jì)算：

圖10 UWB-MIMO 天線的ECC 和DGFig. 10 Envelope correlation coefficient and diversity gain of the UWB-MIMO antenna

對于MIMO 系統(tǒng)來說，TARC＜0 dB 較為合理[19].

圖11 為UWB-MIMO 天線的TARC. 可以看出，在超寬帶范圍內(nèi)TARC＜-10 dB，說明MIMO 耦合效應(yīng)很低，較低的TARC 能確保MIMO 系統(tǒng)發(fā)送端和接收端的多個(gè)信道獨(dú)立，能夠有效地利用多徑的影響來提高系統(tǒng)容量.

圖11 UWB-MIMO 天線的TARCFig. 11 The TARC of the UWB-MIMO antenna

表2 為本文所提天線和參考文獻(xiàn)[6-16]中天線性能對比. 可以看出：本文天線的尺寸均小于文獻(xiàn)[6-16]，且比文獻(xiàn)[6-7，9，12-15]具有更寬的帶寬、更高的增益；本文天線的隔離度均高于文獻(xiàn)[6-13，15]，略低于文獻(xiàn)[14，16]，但比文獻(xiàn)[14，16]具有更小的尺寸、更寬的帶寬. 指標(biāo)天線的帶寬尺寸比(bandwidth dimension ratio, BDR)可以明確地表明天線的緊湊性和寬頻帶特性[20]，本文的BDR 均高于文獻(xiàn)[6-16]. 總而言之，在天線性能相當(dāng)?shù)那闆r下，本文的尺寸在同類型中具有更緊湊的尺寸；在尺寸相當(dāng)時(shí)，本文天線具有更高的性能.

表2 本文設(shè)計(jì)天線與以前文獻(xiàn)中天線對比Tab. 2 Comparison of antennas in references and this paper

3 結(jié) 論

本文提出了一種可以提高緊湊型超寬帶MIMO天線隔離性能的技術(shù)，通過改進(jìn)F 形接地板來實(shí)現(xiàn)高隔離度，通過優(yōu)化以確保其可能實(shí)現(xiàn)的最好性能.設(shè)計(jì)的天線可以實(shí)現(xiàn)3～13.5 GHz 頻帶內(nèi)的阻抗帶寬，隔離度高于22 dB，ECC 非常低，同時(shí)具有良好的輻射特性、穩(wěn)定的增益，說明該天線結(jié)構(gòu)緊湊，具有良好的MIMO 性能，適用于現(xiàn)代通信系統(tǒng).