李若萌,杜成珠,楊?；?/p>

(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 200000)

0 引言

超寬帶(UWB)天線的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作范圍寬,被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和通信等領(lǐng)域,其具有高容量、低功耗等特性[1]。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)正式提出將3.1～10.6 GHz頻段應(yīng)用于民用超寬帶通信后,超寬帶天線便成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容[2]。近年來(lái),多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)成為通信技術(shù)發(fā)展的核心內(nèi)容之一。將超寬帶和MIMO技術(shù)相結(jié)合,可使通信系統(tǒng)在發(fā)射功率一定的情況下,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離穩(wěn)定且高效的信息傳輸,提高了通信系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。MIMO天線由多個(gè)天線單元構(gòu)成,若天線單元間距離過近或無(wú)隔離結(jié)構(gòu),則會(huì)產(chǎn)生耦合,將嚴(yán)重降低天線收發(fā)信號(hào)的性能。隨著無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展,對(duì)于天線的小型化、便攜性也提出了更高要求,如何在有限尺寸范圍內(nèi)提高天線單元隔離度,改善天線性能,是目前MIMO技術(shù)領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。國(guó)內(nèi)外學(xué)者們提出了多種去耦方法[3],包括分集技術(shù)、添加枝節(jié)法以及添加缺陷地結(jié)構(gòu)(DGS)等。文獻(xiàn)[4-7]通過將天線單元正交放置,獲得極化分集,實(shí)現(xiàn)去耦;文獻(xiàn)[8]通過引入T形枝節(jié)、文獻(xiàn)[9]通過引入尖峰形寄生枝節(jié),提高了天線的隔離度;文獻(xiàn)[10]通過采用缺陷地結(jié)構(gòu)以降低天線單元間的耦合。

超寬帶通信頻段內(nèi)存在很多窄帶信號(hào),包括WiMAX(3.3～3.6 GHz),WLAN無(wú)線局域網(wǎng)(5.150～5.825 GHz)等。盡管超寬帶MIMO天線憑借其優(yōu)越性能而被廣泛應(yīng)用于無(wú)線通訊系統(tǒng)的傳輸中,但上述窄帶通信系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生干擾,降低了天線的性能[11],而阻帶天線可以解決此問題。目前阻帶技術(shù)主要包括開槽和加載寄生單元[12]。文獻(xiàn)[13]通過引入T形短截線和U形寄生枝節(jié)實(shí)現(xiàn)雙阻帶特性;文獻(xiàn)[14-16]通過開槽實(shí)現(xiàn)阻帶特性。目前超寬帶MIMO天線隔離度較低,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不易于加工,因此,研究具有阻帶特性與高隔離度的超寬帶MIMO天線具有重要意義。

另外,饋電方式也會(huì)影響天線性能。與同軸饋電和微帶線饋電方式相比,共面波導(dǎo)饋電(CPW)具有更好的傳輸特性,在集成電路中應(yīng)用更廣泛。

本文設(shè)計(jì)了一種基于CPW的高隔離度二阻帶超寬帶MIMO槽天線,它由兩個(gè)正交放置的天線單元組成,輻射貼片是矩形與半圓形相結(jié)合的漸變形結(jié)構(gòu)。在輻射貼片處刻蝕C形槽,以及在輻射貼片背部加載開口諧振環(huán)(SRR)可實(shí)現(xiàn)雙阻帶特性。在接地板45°軸線處引入柵欄形枝節(jié),提高了天線的隔離度。天線工作帶寬為3.00～10.66 GHz,在5.11～5.96 GHz和6.82～7.86 GHz處具有阻帶特性,可以避免WLAN和X波段的干擾,端口隔離度S21均小于-27 dB。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為天線結(jié)構(gòu)示意圖,天線采用FR4為介質(zhì)基板,介電常數(shù)4.4,厚度為0.8 mm。天線整體尺寸為49 mm×49 mm×0.8 mm,其余結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 天線尺寸 單位:mm

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

天線的設(shè)計(jì)過程如圖2所示。首先將兩個(gè)天線單元正交放置,其中輻射貼片由矩形和半圓形拼接構(gòu)成,采用共面波導(dǎo)饋電。輻射單元內(nèi)為環(huán)狀縫隙,電流的有效路徑變長(zhǎng),進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)更寬的工作帶寬。通過在接地板對(duì)角線處引入柵欄形隔離枝節(jié)來(lái)提高隔離度,此隔離結(jié)構(gòu)由3條平行的長(zhǎng)枝節(jié)與5條短枝節(jié)垂直放置組成。在天線1的輻射貼片上刻蝕C形槽,改變其位置和長(zhǎng)度,得到天線2,由此可屏蔽窄帶通信頻段WLAN的干擾。C形槽的長(zhǎng)度估算為

圖2 天線結(jié)構(gòu)演變過程

(1)

(2)

式中:c為光速;εeff為有效介電常數(shù);fcenter為所需阻帶的中心頻率。

在天線2的基礎(chǔ)上,背面加載了一個(gè)開口諧振環(huán)(SRR),使天線在X波段也具有阻帶特性,此枝節(jié)與天線2中的C形槽圓心相同但半徑不同。通過在天線背面加載枝節(jié)實(shí)現(xiàn)第二個(gè)阻帶特性,可以避免阻帶之間的相互影響,最終實(shí)現(xiàn)具有雙阻帶特性的天線3。天線1-3的S參數(shù)如圖3、4所示。

圖3 天線S11仿真結(jié)果

圖4 天線S21仿真結(jié)果

按照優(yōu)化后的天線模型進(jìn)行加工,天線實(shí)物如圖5所示。

圖5 天線實(shí)物圖

2 仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果

本文使用電磁仿真軟件Ansoft HFSS15分析了各結(jié)構(gòu)對(duì)天線性能的影響,并結(jié)合天線實(shí)物的測(cè)試結(jié)果,討論了天線的S參數(shù)、電流圖、輻射性能、增益和包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(ECC)。

2.1 天線參數(shù)分析

2.1.1 C形槽對(duì)天線的性能影響分析

對(duì)C形槽的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行仿真分析。如圖6所示,當(dāng)C形槽的長(zhǎng)度L1增加時(shí),產(chǎn)生的阻帶向低頻方向移動(dòng)。當(dāng)L1=18.1 mm時(shí),阻帶帶寬完全覆蓋WLAN頻帶。

圖6 不同尺寸L1的S11仿真結(jié)果

2.1.2 柵欄形枝節(jié)對(duì)天線的性能影響分析

在MIMO天線設(shè)計(jì)中,端口隔離度S21也是判斷天線性能的重要因素。此天線通過在對(duì)角線處引入柵欄形隔離枝節(jié),實(shí)現(xiàn)了天線的高隔離度。其隔離結(jié)構(gòu)是由3根矩形枝節(jié)和5條與其垂直的短枝節(jié)構(gòu)成,呈交叉分布。圖7為天線引入隔離枝節(jié)前后的S21對(duì)比。由圖可知,引入柵欄形隔離枝節(jié)后,S21明顯下降,在工作頻段內(nèi)隔離度均小于-27 dB。

圖7 添加隔離枝節(jié)前后S21對(duì)比

圖8為引入隔離枝節(jié)前后的電流分布圖。

圖8 天線4 GHz處的電流分布圖

由圖8可見,在未添加?xùn)艡谛胃綦x枝節(jié)時(shí),端口2的地板、饋線及輻射貼片處出現(xiàn)了大量的耦合電流,嚴(yán)重影響了MIMO天線性能。在添加?xùn)艡谛胃綦x枝節(jié)后,耦合電流幾乎都集中在隔離枝節(jié)處,端口2附近的電流明顯減少。

2.2 S參數(shù)及電流分布圖

圖9為天線S11的仿真和實(shí)測(cè)值。實(shí)測(cè)結(jié)果表示天線的工作帶寬為3.00～10.66 GHz,滿足超寬帶天線的要求;在5.11～5.96 GHz和6.82～7.86 GHz頻段處形成了兩個(gè)S11高于-10 dB的阻帶,成功地避免了WLAN和X波段兩個(gè)窄帶頻段的干擾。

圖9 天線S11的仿真與實(shí)測(cè)值

圖10為天線S21仿真和實(shí)測(cè)曲線。由圖可見,實(shí)測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)好于仿真結(jié)果,該天線隔離度整體均在-27 dB以下,此結(jié)果遠(yuǎn)高于MIMO天線隔離度低于-15 dB的一般要求。

圖10 天線S21的仿真與實(shí)測(cè)值

由圖11(a)可見,當(dāng)天線工作在5.5 GHz時(shí),電流主要集中在輻射貼片處的C形槽附近,有效抑制了WLAN窄帶頻段的干擾。由圖11(b)可見,當(dāng)天線工作在7.5 GHz時(shí),電流主要集中在天線背面的開口諧振環(huán)(SRR)附近,有效抑制了X波段的干擾。

圖11 天線的電流分布圖

2.3 輻射方向圖

圖12為天線在3.5 GHz、6 GHz、9 GHz處的方向圖。天線的E面方向圖為“8”字狀,具有雙向輻射性;H面方向圖接近一個(gè)圓,可以在各個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)送信號(hào)。仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果有微小差距,這是由于實(shí)測(cè)環(huán)境和加工誤差所導(dǎo)致,但天線整體仍可以滿足要求。

圖12 輻射方向圖的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

2.4 增益

圖13為天線增益的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果,天線最高增益為4.8 dB,且增益在5.5 GHz、7.5 GHz處急劇下降,其余頻帶內(nèi)較穩(wěn)定。這表明該天線可以很好地抑制WLAN和X波段的信號(hào)干擾。

圖13 增益的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

2.5 包絡(luò)相關(guān)系數(shù)

在MIMO系統(tǒng)中,包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(ECC)用于衡量天線信道之間的相關(guān)程度。若相關(guān)程度過高,則會(huì)降低天線性能,其可表示為

(3)

天線的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)仿真和測(cè)量數(shù)據(jù)如圖14所示,由圖可見,在工作頻段內(nèi)包絡(luò)相關(guān)系數(shù)始終遠(yuǎn)小于0.03,說明此MIMO系統(tǒng)中各信道獨(dú)立性較高,符合設(shè)計(jì)要求。

圖14 ECC的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

3 天線性能比較

表2為本文所述天線與其他天線的性能參數(shù)對(duì)比。

表2 天線性能參數(shù)對(duì)比

由表2可見,本文設(shè)計(jì)的天線具有較高的隔離度,且采用CPW饋電,應(yīng)用范圍更廣,可以同時(shí)阻斷多個(gè)窄帶通信信號(hào)的干擾,包括WLAN和X波段。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款基于共面波導(dǎo)饋電的高隔離度二阻帶超寬帶MIMO槽天線。天線以FR4為介質(zhì)基板,由兩個(gè)正交放置的天線單元組成,通過在輻射貼片處刻蝕C形槽,以及在輻射貼片背部加載開口諧振環(huán)(SRR),抑制了WLAN和X波段兩個(gè)窄帶信號(hào)的干擾,引入的柵欄形枝節(jié)提高了天線的隔離度。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示,該天線工作范圍為3.00～10.66 GHz,在5.11～5.96 GHz和6.82～7.86 GHz處具有阻帶特性,隔離度S21均低于-27 dB,包絡(luò)相關(guān)系數(shù)小于0.03。該結(jié)果表明此天線工作范圍寬,隔離度高,具有良好的輻射性能,在抑制窄帶信號(hào)的超寬帶MIMO通信領(lǐng)域具有重要價(jià)值。