一种应用于WLAN的2×2 MIMO定向天线设计

权 威,闫 姝,权建军

(兰州石化职业技术大学 电子电气工程学院,甘肃 兰州 730060)

随着无线通信技术的发展, WLAN(无线局域网络)已经被广泛应用到了各行各业,各种场景中。在教室、宿舍、办公楼、医院、商场、体育馆等室内应用场景,WLAN终端用户可以通过AP(无线接入点)接入有线网络, AP设备通常采用吸顶方式安装,通过全向天线实现信号覆盖;而在广场、景区、工厂、楼宇间等室外应用场景,用于信号覆盖的AP设备或用于无线桥接的网桥设备通常采用壁挂方式安装,通过定向天线实现远距离通信[1]。WLAN主要使用2.4GHz频段和5GHz频段。相对于2.4GHz频段,5GHz频段干扰较少,带宽更宽,已广泛应用于室外信号覆盖、远距离高清视频监控无线回传等场景,而小型化定向辐射的天线在此类WLAN应用场景中显得至关重要,基于此,一些天线方案被提出,比如使用全向天线加反射板形成定向天线[2-3],使用微带贴片结构[4-5]、倒F结构[6-7]等设计定向天线等,但这些天线尺寸偏大不易内置于小型化设备中,且增益较低,传输距离有限。

基于以上研究,本文提出并设计了一款应用于WLAN 5GHz频段的2×2 MIMO定向天线,该天线具有结构简单,尺寸小,增益高的特点。

1 天线阵列结构与设计

1.1 单元天线的结构与设计

单元天线的结构如图1所示,介质基板为FR4 PCB,其介电常数εr=4.4,损耗角正切为0.02,尺寸为70mm×70mm,厚度为1mm,基板的底面覆铜作为接地面GND,基板上面布放天线阵列。本设计选择结构简单,易加工制作的环形单级子天线作为天线单元进行设计。环形单级子天线由辐射环,接地条和馈电片三部分组成,其中,辐射环呈矩形状并与介质基板平行,与介质基板的距离为8mm;接地条一端与辐射环缺口的左边垂直相连、另一端与GND面垂直相连;馈电片一端与辐射环缺口的右边垂直相连、另一端垂直至于介质基板上面,采用底馈方式馈电,馈电同轴内导体连接馈电片,外导体连接GND面。

图1 单元天线结构

根据天线理论[8],环形单级子天线在半波长的整数倍(即λg/2,λg,3λg/2,2λg…)处产生谐振而向空间辐射电磁能量。因环形单级子天线在λg/2处谐振时,所产生的的带宽较窄,所以选择环形单级子天线的λg处的谐振模式设计单元天线,其可完全覆盖WLAN 5GHz的工作频段(即5.15GHz至5.85GHz)。

使用电磁仿真软件进行参数优化设计,如图2所示,得到该单元天线在WLAN 5GHz工作频段内的驻波比小于2;如图3所示,得到该天线在中心频点处增益为8dBi。

图2 单元天线的驻波比

图3 单元天线的辐射方向图

1.2 二元阵列天线的结构与设计

根据阵列天线理论,将若干个单元天线按照一定的间距排列组成均匀直线阵列,可以增强天线的方向性,从而提高天线的增益。根据本设计中介质基板的尺寸限制,使用前述所设计的两个环形单级子天线组成二元天线阵列。

如图4所示,阵元1与阵元2相对布放,为了降低阵元之间电磁能量的互相耦合对天线辐射的影响,两个阵元之间的距离为设置为0.73λ0。

图4 单元天线的辐射方向图

阵元1与阵元2采用同幅同相方式馈电,使用电磁仿真软件进行仿真设计,如图5所示,得到二元阵列天线的两个单元天线,阵元1与阵元2在WLAN 5GHz的工作频段内的隔离度大于20dB;如图6所示,得到二元阵列天线在中心频点处的增益达到11dBi。

图5 阵元1与阵元2之间的隔离度

图6 二元阵列天线的辐射方向图

1.3 2×2 MIMO定向天线的结构

根据MIMO通信原理,相对于SISO系统,MIMO系统可以成倍的提升信道容量,从而提升系统的吞吐量。在WLAN 5GHz频段远距离定向覆盖、桥接等应用场景中,通常使用2×2 MIMO无线传输系统。如图7所示,将两组前述所设计的二元阵列天线相互交叉垂直布放,即组成2×2 MIMO天线。

图7 2×2MIMO天线结构

2 馈电网络的结构与设计

2.1 微带传输线的结构

微带传输线因为具有体积小、重量轻、频带较宽、易于集成等特点,所以被广泛应用于各种微波系统中。如图8所示,微带传输线主要由金属导体带、介质基板和接地板GND三部分组成。其中,金属导体带的宽度为w,厚度为t;介质基板的介电常数为εr,厚度为h。

图8 微带传输线结构

2.2 T形一分二微带功分器的结构与设计

由于2×2 MIMO天线的每个天线阵列都由两个阵元组成,所以需要设计一分二功分器对天线进行馈电[9]。本文基于微带传输线设计T形一分二功分器,其结构如图9所示,功分器由La、Lb1、Lb2、Lc1、Lc2等5段微带传输线组成。其中,La段为输入端口,Lc1和Lc2为两个输出端口。

图9 T型一分二微带功分器的结构

根据微带功分器理论,La、Lc1、Lc2三段微带线的特性阻抗为50Ω,Lb1、Lb2两段微带线的特性阻抗为70.7Ω,长度为0.25λg。本文功分器布放在天线基板上,由前文所述,介质基板为FR4 PCB,其介电常数εr=4.4,厚度为1mm。根据微带传输线理论,可以计算得到La、Lc1、Lc2三段微带线的宽度w1=w3=1.87mm,Lb1、Lb2两段微带线的宽度w1=0.99mm。

使用电磁仿真软件对T型一分二微带功分器进行仿真设计,如图10所示,得到功分器在WLAN 5.8GHz工作频段内的回波损耗小于-10dB;如图11所示,得到功分器两个输出端口实现3dB等功率分配。

图10 T型一分二微带功分器输入端口驻波比

图11 T型一分二微带功分器输出端口的功率分配

2.3 2×2 MIMO定向天线馈电网络的结构

如图12所示,根据2×2 MIMO定向天线阵元在介质基板上的布放位置,功分器1直接设计在介质基板上面,功分器2使用另外一小块FR4 PCB板设计,并放置于天线基板背面。

图12 功分器在介质基板上的布放位置

3 2×2 MIMO定向天线与馈电网络联合设计

2×2 MIMO定向天线与馈电网络的完整天线结构如图13所示,功分器1的两个输出端口分别与阵元1和阵元2的馈电片相连,形成2×2 MIMO定向天线的垂直天线组;天线介质基板的接地面GND在阵元3和阵元4的馈电片位置处进行开窗设计,功分器2的两个输出端口穿过GND面的开窗与阵元3和阵元4的馈电片相连,形成2×2 MIMO定向天线的水平天线组。

图13 完整天线结构图

使用电磁仿真软件对2×2 MIMO定向天线与馈电网络进行联合仿真设计,如图14所示,得到垂直天线组和水平天线组在WLAN 5GHz工作频段内的回波损耗小于-10dB,隔离度大于20dB;如图15所示,垂直天线组和水平天线组在中心频点处的增益达到10.5dBi,这是由于功分器的引入产生了损耗,相对于无功分器仿真的结果,天线的增益有所降低。

图14 2×2 MIMO定向天线的S参数

图15 2×2 MIMO定向天线的辐射方向图

4 结论

1)面对WLAN远距离定向覆盖,定向桥接和WLAN设备小型化,天线可内置集成的需求,提出并设计了一种应用于WLAN 5GHz频段的2×2 MIMO定向天线。该天线由FR4 PCB介质基板、4个环形单级子天线阵元和2个T型一分二微带功分器组成,天线整体结构尺寸为70mm×70mm×9mm,可便于集成于WLAN设备之中。

2)使用电磁仿真软件对2×2 MIMO定向天线的各组件进行了仿真设计,得到了环形单级子阵元和T型一分二微带功分器的结构尺寸及工作性能的参数结果,并且对2×2 MIMO定向天线于馈电网络进行了联合仿真设计。仿真结果显示两组天线在WLAN 5GHz工作频段内的回波损耗小于-10dB,隔离度大于20dB,且在中心频点处的增益达到10.5dBi,表明该2×2 MIMO定向天线具有良好的应用前景。