用于MIMO基站双极化天线设计及阵元互耦分析

王永巍 姜 兴 侯 轶

(桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林541004)

1.引 言

移动通信业务在容量和质量上的不断升级,而工作频带在移动通信中已经是非常拥挤,因此,要求采用先进的技术有效地利用有限的频率资源,满足高速率、大容量的业务需求;同时克服高速数据在无线信道下的多径衰落[1-2]。MIMO技术就是基于上述要求提出的新技术,并已成为目前无线通信领域的研究热点之一。MIMO技术能大大提高系统的容量,被视为未来无线通信中最有竞争力的技术之一,亦被作为后3G、4G的候选技术。

MIMO系统的实现离不开基站和移动端多天线的研究,并且由于移动端天线受到体积、重量、成本等诸多限制,提高系统通信质量的技术和措施很多靠基站端天线来实现的。本文综合运用了缝隙耦合技术和双线馈电技术设计出了一种结构为单层介质板、H型缝隙耦合天线单元,因其结构简单,制作容易,成本低廉,并具有高增益、高隔离、双极化的特性,非常适用做MIMO基站端天线。

在MIMO系统中,相关性表现在两方面,一为信道多径的相关性,一为阵元之间的相关性,最终相关性问题是由这两方面共同影响的。有关文献[3-4]从算法的角度分析了上述两种相关性所产生的影响。在假设信道多径之间独立的情况下,讨论阵元之间的相关性问题,就得要求阵元间互耦很小。

2.基站天线单元结构设计

天线结构如图1所示,天线由一层介质板加铝板组成。辐射贴片用四根塑料螺钉支撑于介质板上方。接地板和馈线分别位于介质板的上部和下部。接地板上采用一对相互垂直的H型缝隙,使隔离度明显提高,降低了交叉极化。铝板和介质板之间引入空气层,相当于减小了上层介质板的平均相对介电常数,降低了微带天线的Q值,从而达到了增加天线带宽的目的,同时也提高了天线的增益[5]。

微带贴片天线的口径耦合馈电方式是Pozar于1985年提出的[6],它很好地克服了微带天线传统馈电方式的许多缺点(如同轴线引入一较大的电感、馈电网络的寄生辐射等)。在缝隙耦合结构的设计中包括介质层的选定、贴片的尺寸、耦合缝的尺寸和位置、馈电线的尺寸和相对位置,根据微带电路改进的传输线理论[7-8],可以初步确定贴片与两个缝隙的长宽和馈线调谐枝节的长度。选用的介质板介电常数εr=2.65 、tan δ=0.0005、厚度 h=1 mm 的介质板 。

图1 单层馈电网络的双极化口径耦合贴片单元

3.天线仿真与实测结果

用三维仿真软件HFSS对天线单元进行了仿真和优化,仿真得到天线两个端口的S参数如图2所示。

图2 天线S参数仿真结果

据仿真优化结果制作了天线模型如图3所示。用Agilent N5230A矢量网络分析仪对天线阵的S参数进行了测试,测试结果如图4所示。

图3 天线实物

通过实测与仿真结果比较,在频段2.11～2.17 GHz内实测都在-20 dB以下,实测都在-30 dB以下,及端口隔离度大于-40 dB,实测图形与仿真值基本吻合,验证了天线仿真的正确性。并且实测结果优于仿真结果。

图4 天线S参数实测结果

对天线单元的增益及方向图进行了测试,图5给出了水平、垂直极化端口方向图的仿真与实测结果,图形表明仿真与实测结果基本吻合。实测水平极化增益为9.2 dBi,垂直极化增益为9.17 dBi。

图5 天线单元增益方向图

4.阵元间的互耦分析

在天线阵中,由于单元间彼此靠近,一个天线阵元产生的场将改变其他阵元上的电流分布,使之不同于单元在自由空间孤立存在时的电流,从而导致天线输入阻抗发生变化,这就是互耦作用。

架设在室外的基站天线阵,各个单元间的距离很远,达到几十个波长,所以完全可以认为单元间的互耦可以忽略不计;而架设在有丰富的散射环境地方的基站天线阵,单元间的间距可能只有半个波长,所以可以利用基站天线不受空间限制的因素更好地确定单元之间的间距来降低阵元间互耦效应。

根据天线理论,当多个天线同时存在于空间时,它们之间会发生电磁耦合。其中任一个天线的阻抗由于受到周围其它天线的影响,将不同于它单独存在时的阻抗值;此时每一阵元的阻抗包括自身的阻抗(即自阻抗)和受其它阵元影响产生的互阻抗两部分,因而可用阵元间的互阻抗来表征阵元间的互耦[9]。所以,互耦的计算问题归根结底是天线阵阵元间互阻抗的计算问题。

多天线系统的等效耦合网络[4]的模型如图6所示。负载阻抗为,…,天线阻抗(即自阻抗)为Za1,…,ZaNs。当系统进行信号接收时,等效于外加信号源(,…,,)分别作用于阵列天线单元。把天线单元间的互耦影响考虑进来。由电路理论,馈电点电压可表示为

图6 多天线系统耦合网络模型

将式(2)代入式(1),可得

可以设Wr为天线单元间的耦合系数矩阵。令

式中：ZA是对角矩阵;天线阻抗ZA1,…,ZANs是对角元素,将视为不计互耦下的接收信号电压向量,由式(6)得到

解方程(7)可得耦合系数矩阵为

式中：diag(Rand)是随机对角矩阵。耦合系数矩阵如果不计互耦时则为单位阵,则

上式给出了通用的耦合系数矩阵形式,使得我们对不同天线单元间的互耦分析更加的方便。

本文采用了双H型缝隙耦合馈电的微带天线单元,利用双线馈电技术实现了天线的双极化特性,一对相互垂直的H型缝隙提高了端口隔离度,设计制作了MIMO基站端双极化天线单元,测试结果与仿真较一致,满足了设计要求。

5.仿真验证互耦分析结果

通过分析四单元阵列不同间距产生的互耦影响。利用HFSS对不同阵元间距进行了仿真,得出不等间距对互耦的影响,因为受本身天线尺寸的影响,阵元间距的最小间距d=80 mm。

实验分别对阵元间距 d=0.57 λ、d=0.7 λ、d=0.86 λ、d=λ的四单元线阵进行仿真,图7给出了二单元阵元示意图,不同极化端口隔离度基本在-40 dB以下,其中影响互耦较大的是相邻的同极化端口1、3和端口 2、4。

图7 二单元阵元示意图

图8给出了不等间距间的同极化端口1、3和端口2、4相互间的隔离度,其中间距为 d=0.57 λ时,在频段内间距的隔离度只有十几个dB,互耦影响很大;d=0.7 λ时,只能达到-20 dB,也不能满足系统的要求;d=0.86 λ、d=λ,各个端口的隔离度效果理想,都在-25 dB以下。实验从仿真的角度验证了阵元互耦分析理论,达到了理想的效果。通过分析互耦确定了阵元的间距最小为 d=0.86 λ,从而为MIMO系统分析相关性提供了参考数据。

图8 1、3和2、4同极化端口隔离度仿真图

6.结 论

本文采用了双H型缝隙耦合馈电的微带天线单元,利用双线馈电技术实现了天线的双极化特性,一对相互垂直的H型缝隙提高了端口隔离度,设计制作了MIMO基站端双极化天线单元,测试结果与仿真较一致,满足了设计要求。并分析了MIMO系统中天线阵元间的互耦相互作用,通过软件仿真得出d=0.86 λ时基站天线阵最小阵元间距,为实现MIMO天线系统的高性能提供了良好的平台。

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