一种陷波超宽带MIMO天线设计

邓永云 代喜望 罗国清

(杭州电子科技大学,杭州 310018)

引 言

近年来,随着无线通信技术的快速发展,人们对信道容量及可靠性的需求也日益增长. 随着物联网的发展和智能家居在生活中的普及,超宽带系统因为具有频谱资源丰富、传输速率快和保密性强、功耗低等优点,成为当今研究的热点之一[1]. 然而超宽带系统的辐射功率相对较低,使其很难实现远距离传输. 将UWB技术与MIMO 技术结合,利用MIMO技术的抗多径衰落能力,实现多条路径同时传输,就可以在不增加天线辐射功率的前提下,显著提升 UWB 系统的传输距离,而且UWB-MIMO 系统的低辐射功率也符合“绿色通信”的理念[2]. 在实际应用中,由于UWB频带范围内包含了很多窄带通信,如 WiMAX(3.3 ～3.8 GHz)、WLAN(5.15 ～5.85 GHz)等,为了实现窄带系统与UWB系统之间的电磁兼容,UWB系统中往往需要添加窄带滤波器,而陷波功能可以在一定程度上替代滤波器的作用. 因此,带有滤波特性的 UWB-MIMO天线应运而生[3-4]. 其中陷波特性功能的实现方法主要为在辐射单元或地面上刻蚀形式不同的谐振槽[5-6],或者在辐射单元或馈线附近添加寄生抑制单元或谐振器[7-8]. 而超宽带特性的实现技术包括采用阶梯结构或者分形结构的辐射单元[9-10],或者在接地面设置缝隙结构[11]. MIMO天线的性能优劣取决于接收到的信号是否具有低相关性. 因此,设计的MIMO天线必须具有高隔离度. 常用的提高MIMO天线端口隔离度的方法是使用电磁带隙结构[12],但是,电磁带隙结构占用面积大,并且增加了天线的复杂度. 而有缺陷的接地结构有时也被用作去耦结构来增加天线单元之间的隔离度[13]. 为了保证MIMO系统的工作性能,MIMO系统应在整个工作频带内其天线单元间的隔离度小于-15 dB.

1 天线的设计

图1和图2分别是天线的结构示意图和实物加工图,天线单元是微带单极子天线结构,制作在FR4介质基板上,介质的相对介电常数为4.4,介质损耗正切角是0.02,体积为46 mm×46 mm×0.8 mm. 两个天线单元正交放置,以此来获得两正交分布的方向图. 并且通过在两天线单元对称轴上加载一段矩形枝节,使端口间的隔离度获得明显提升.

为了产生WLAN的陷波,在阶梯矩形辐射贴片上添加一个矩形开口槽. 而槽的长度可由下式估算:

(1)

式中:L表示开口槽的长度;c表示光速;f0为阻带所对应的中心频率;εr和εeff分别是介质板的相对介电常数和有效介电常数. 通过式(1)计算在中心频率为5.5 GHz时,矩形开口槽的长度大约为17 mm,通过电磁仿真软件HFSS V15.0进行优化,得到当矩形开口环的长度为L=17.4 mm时,阻带特性最好,可以完整地覆盖WLAN频段.

(a) 正面 (b) 背面(a) Front (b) Back图1 超宽带MIMO天线结构图Fig.1 Schematic of the proposed ultra wideband MIMO antenna

(a) 正面 (b) 背面(a) Front (b) Back图2 超宽带MIMO天线实物图Fig.2 Prototype of the ultra wideband MIMO antenna

2 参数分析

2.1 阻抗特性分析

该天线的S参数如图3和4所示. 仿真结果显示在3.1 ～10.86 GHz频带内,除了4.90～5.93 GHz 的陷波频段,S11均小于-10 dB,这表明天线满足阻抗要求,实测结果和仿真结果基本一样,陷波带宽为5.15～6.0 GHz,工作带宽为2.95～11.2 GHz. 此外,为了提高两天线单元端口之间的隔离度,在两天线单元接地面的对称轴上添加了一段矩形枝节,添加的矩形枝节改变了电流路径,减小了两天线单元端口间的耦合电流,图3中的仿真结果显示,隔离枝节将天线单元端口间的隔离度由-12 dB提高至-16 dB,图4中的实测结果显示,天线在工作频段内的隔离度都在-20 dB以下.

图3 有无矩形枝节时仿真的S参数Fig.3 The simulated S parameters with or without rectangle stub

图4 有矩形枝节时测试的S参数Fig.4 The measured S parameters with rectangle stub

2.2 辐射特性分析

图5是天线在3.5、7、9 GHz频率下的实测归一化远场方向图. 由于天线是正交对称放置,端口1和端口2的方向图大致沿对称轴相互对称. 因此,我们可以只研究端口1. 由图5可以看出:在低频段,端口1在H面基本呈现出全向性,在E面大致呈现出类单极子的“8”字形;随着频率的增加,天线的波长减小不再远大于天线的尺寸,天线不再具有电小天线的特性,因此,天线的辐射方向图发生变化,不再呈现出类单极子天线的辐射方向图.

图6是天线的最大增益和辐射效率随频率变化的结果,在工作频带内,天线的最大增益大致为2～6 dBi,在陷波频段中,天线的增益骤降至-5.5 dBi左右,有效地解决了超宽带与WLAN之间的电磁兼容问题. 从图中可以看到该天线通带频带内具有较高的辐射效率,辐射效率都大于90%,在WLAN频带内,天线的辐射效率骤降至30%左右.

(a) xoz面(a) xoz plane

(b) xoy面(b) xoy plane

(c) yoz面(c) yoz plane图5 辐射方向图Fig.5 The radiation pattern

图6 天线的峰值增益和辐射效率Fig.6 Peak gain and radiation efficiency of the antenna

2.3 分集特性分析

包络相关系数(envelope correlation coefficient, ECC)反应的是天线信号衰落能力. 由于路径的不同,天线接收到的信号衰落多少具有不确定性,通常情况下,要求天线的ECC小于0.2,该天线的仿真和实测ECC如图7所示,在工作频带内ECC总是小于0.1,满足设计要求.

图7 天线单元之间的包络相关系数Fig.7 Envelope correlation coefficient between antenna elements

3 结 论

本文设计了一款紧凑型单陷波UWB-MIMO天线,天线的通带和陷波频段分别覆盖了超宽带频段和WLAN频段,对称轴上添加的矩形枝节使天线单元间的隔离度提升到-20 dB以下,天线的峰值增益为6.43 dBi,ECC在工作频率范围内都小于0.1. 这表明所提出的带有滤波功能的UWB-MIMO天线是一种有实际应用价值的紧凑型陷波UWB-MIMO天线.