一種雙極化的MIMO超寬帶方環(huán)縫隙天線設(shè)計(jì)

陳顯明，劉書煥

（1. 西京學(xué)院，陜西 西安 710123；2. 西安交通大學(xué)，陜西 西安 710010）

研究與試制

一種雙極化的MIMO超寬帶方環(huán)縫隙天線設(shè)計(jì)

陳顯明1，劉書煥2

（1. 西京學(xué)院，陜西 西安 710123；2. 西安交通大學(xué)，陜西 西安 710010）

設(shè)計(jì)了一種雙極化的多輸入多輸出（MIMO）超寬帶方環(huán)縫隙天線。該天線有4個(gè)天線單元，底層由2個(gè)方環(huán)微帶饋電線構(gòu)成，用于正交偏振。頂層由2個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的方環(huán)構(gòu)成，用于減少交叉極化。方環(huán)之間用矩形切口連接，以增加環(huán)縫之間的耦合。測(cè)量結(jié)果表明，該天線在3～12 GHz內(nèi)隔離比大于22 dB，相關(guān)系數(shù)（ECC）在可以接受的范圍內(nèi)。該天線可以應(yīng)用于MIMO超寬帶通信系統(tǒng)中。

縫隙天線；極化天線；微帶饋電；超寬帶；MIMO；高隔離度

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，通信的傳輸質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸率需求都在不斷提高。多輸入多輸出(MIMO)傳輸系統(tǒng)可以在很大程度上解決這一需求。超寬帶天線實(shí)現(xiàn)分布式、極化多樣性是有吸引力的，因?yàn)樗某杀镜?，只需要一個(gè)單一的雙極化天線，便可以增加信道的性能，雙極化天線還可用于信息采集和雷達(dá)成像。雙極化天線一般使用多層或三維結(jié)構(gòu)，但不容易集成到便攜式設(shè)備上，而且主要用在窄帶無(wú)線通信系統(tǒng)中。然而研究雙極化的 MIMO超寬帶天線的文獻(xiàn)非常少。MIMO超寬帶天線系統(tǒng)的主要困難是實(shí)現(xiàn)隔離各單元之間的輻射問(wèn)題。本文雙極化的MIMO超寬帶方環(huán)縫隙天線設(shè)計(jì)是為了隔離密集的超寬帶輻射單元，通過(guò)改變縫隙的位置、大小及在方環(huán)之間用矩形切口連接來(lái)實(shí)現(xiàn)超寬帶。通過(guò)仿真表明，該天線在 3～12 GHz內(nèi)隔離比大于22 dB。滿足超寬帶天線的要求。最后根據(jù)仿真參數(shù)將天線加工成實(shí)物，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的超寬帶天線見(jiàn)圖1。

本文所設(shè)計(jì)的超寬帶天線厚度為1.6 mm，相對(duì)介電常數(shù)為4.4。為了實(shí)現(xiàn)超寬帶，天線的底層由接地面的兩個(gè)方環(huán)縫隙組成。兩個(gè)方環(huán)縫隙可以產(chǎn)生兩個(gè)諧振頻率，另外由于耦合作用將會(huì)產(chǎn)生差頻諧振以及高頻諧振，所以在一定頻帶范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生多個(gè)諧振點(diǎn)[1]。為了在很寬的頻帶內(nèi)使回波損耗都低于一定值，可以在方環(huán)之間用矩形切口連接，增加兩縫之間的耦合。通過(guò)調(diào)整兩縫隙的相對(duì)位置、縫隙寬度、切口位置以及切口大小等參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)超寬帶。頂層由50 Ω開(kāi)路微帶線耦合饋電，為了使內(nèi)外方環(huán)都能更好地與微帶線阻抗匹配，在微帶線與內(nèi)環(huán)對(duì)應(yīng)的部分加一段匹配枝節(jié)。如圖2，3縫隙標(biāo)記為S1和S2。L1是一個(gè)窄縫隙，L2是一個(gè)金屬條。隨著天線結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，天線的性能的變化曲線如圖2，3所示。首先在地板的中心位置設(shè)計(jì)一個(gè)窄的矩形縫隙，產(chǎn)生一個(gè)線性偏振電場(chǎng)可以使天線具有良好的極化特性。通過(guò)減小微帶饋電線中間的寬度，可以進(jìn)一步地改善阻抗匹配。最后做成一個(gè)單臂縫隙，縫隙構(gòu)成一個(gè)階梯阻抗諧振器(SIR)[2-3]。諧振頻率的表達(dá)式為：

圖1 天線實(shí)物圖Fig.1 Physical antenna

圖2 S11和單臂、雙臂、四臂縫隙天線的關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve of S11and single Double, four arm slot antennas

式中：c為光速；Sh是縫隙長(zhǎng)度。

式中：SiL為L(zhǎng)i的長(zhǎng)度；SiW為L(zhǎng)i的寬度。Sh也可由（3）式計(jì)算。

圖3 改進(jìn)L1和L2的隔離度曲線Fig.3 Isolation degree curves of improving L1 and L2

兩個(gè)相鄰放置成直角的縫隙階梯阻抗諧振器結(jié)構(gòu)可以獲得正交極化電場(chǎng)。這種縫隙方環(huán)結(jié)構(gòu)的隔離度并不令人滿意?？梢酝ㄟ^(guò)改善縫隙連接結(jié)構(gòu)來(lái)提高隔離度。如圖3所示，隔離度的提高主要是通過(guò)調(diào)節(jié)L1和L2的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)的，從曲線中可以看出隔離度大于22 dB。從圖4和圖5的數(shù)據(jù)可以看出，長(zhǎng)度L1影響較高頻率的隔離度，金屬條長(zhǎng)度L2影響較低頻率的隔離度[4]。L2確有明顯的效果，特別是3～5 GHz頻率范圍。L2對(duì)反射系數(shù)沒(méi)有明顯的影響[5]。

圖4 L1長(zhǎng)度變化對(duì)隔離度的影響Fig.4 The influence of L1 length changes on isolation

圖5 L2長(zhǎng)度變化對(duì)隔離度的影響Fig.5 The influence of L2 length changes on isolation

2 測(cè)量結(jié)果與分析

采用三維電磁仿真軟件CST進(jìn)行天線仿真。優(yōu)化天線制作尺寸，使用R&S ZVL矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量和仿真的S參數(shù)和頻率關(guān)系曲線如圖6，隔離度關(guān)系曲線如圖7所示。從這些數(shù)據(jù)可以看出，在3～12 GHz的超寬帶頻帶范圍內(nèi)。隔離度大于22 dB。

圖6 S參數(shù)和頻率關(guān)系曲線Fig.6 Curves of S parameters and frequency

圖7 隔離度和頻率關(guān)系曲線Fig.7 Curves of isolation and frequency

選擇不同的頻率進(jìn)行輻射特性分析，得到測(cè)量和仿真結(jié)果如圖8所示。用黑色線表示圓的法線方向的增益，紅色線表示切線方向的增益，其中實(shí)線表示測(cè)量結(jié)果，虛線表示仿真結(jié)果；左圖為全向，右圖為雙向。從圖中可以看到，仿真和測(cè)量的輻射特性是幾乎完全相匹配的[6-8]。

相關(guān)系數(shù)（ECC）是超寬帶天線分析的重要參數(shù)。ECC是表征天線信號(hào)衰落能力的。仿真和測(cè)量相關(guān)系數(shù)，如圖 9所示。從圖中可以看出，ECC＜0.005，其值在可以接受的范圍內(nèi)。相關(guān)性可以用下面的計(jì)算公式表示：

圖8 輻射特性和頻率關(guān)系曲線Fig.8 Curves of radiation characteristics and frequency

圖9 ECC和頻率的關(guān)系曲線Fig.9 ECC and frequency curves

3 結(jié)論

本文提出的雙極化的MIMO超寬帶方環(huán)縫隙天線具有較高的隔離度，該天線是由四個(gè)縫隙饋電臂構(gòu)成的方環(huán)結(jié)構(gòu)。通過(guò)適當(dāng)分割縫隙單臂和饋線的寬度來(lái)改善超寬帶阻抗匹配。測(cè)量隔離度超過(guò)22 dB。ECC測(cè)量結(jié)果在可接受的范圍內(nèi)，確保了該天線的性能。本設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)中。

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（編輯：陳渝生）

Design of a double polarization MIMO ultra-wideband square ring slot microstrip antenna

CHEN Xianming1, LIU Shuhuan2
(1. Xijing University, Xi’an 710123, China; 2. Xi'an Jiaotong University, Xi’an 710010, China)

A kind of double polarization MIMO ultra-wideband square ring slot microstrip antenna was designed. The antenna possessed four antenna units and the underlying consistsed of two square ring microstrip feeders to use the orthogonal polarization. The top was composed of two symmetric squarerings to reduce the cross polarization. Square ring connection applies rectangle incision to increase the coupling of the gap between two rings. Measurement results show that the segregation ratio of the antenna is more than 22 dB within 3－12 GHz, and the correlation coefficient (ECC) is in an acceptable range. The antenna can be used in MIMO UWB communication system.

slot antenna; polarization antenna; microstrip feed; ultra broadband; MIMO; high isolation

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.09.003

TN822.8

A

1001-2028（2017）09-0015-03

2017-08-01

陳顯明

校科研基金資助項(xiàng)目（No. XJ120224）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No. 61473237）；陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目（No.14JK2165）

陳顯明（1979－），男，吉林長(zhǎng)春人，副教授，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信與超寬帶天線，E-mail: 379653565@qq.com 。

時(shí)間：2017-08-28 11:08

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170828.1108.003.html