具有三陷波特性的高隔離度緊湊型UWB-MIMO天線

李艷玲， 陳新偉， 蘇晉榮

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院， 山西 太原 030006)

0 引 言

近年來， 高數(shù)據(jù)速率1 GB/s的新興家庭視聽(Audio/Visual, A/V)網(wǎng)絡(luò)需要支持多個高速高清電視(High-definition Television, HDTV)A/V流， 這對無線通信技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]. 研究表明， UWB結(jié)合MIMO技術(shù)是實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率的可行方法[2]. 然而， 聯(lián)邦通信委員會(Federal Communications Commission , FCC)指定的商用UWB系統(tǒng)的頻譜為 3.1 GHz～10.6 GHz[3]， 該頻段覆蓋窄帶全球微波接入系統(tǒng)(WiMAX 3.5 GHz)、 無線局域網(wǎng)(WLAN 5.2/5.8 GHz)、 X波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)(X-波段 7/8 GHz)等頻段. 因此， 在超寬帶MIMO系統(tǒng)中， 需要抑制這些頻段帶來的電磁干擾. 此外， 設(shè)備的小型化正在推動UWB-MIMO系統(tǒng)的小型化， 進而對天線提出緊湊化的要求. 因此， 如何在狹小空間內(nèi)使輻射單元間具有較高的隔離度， 成為MIMO天線設(shè)計中的棘手問題之一.

為提升隔離度， 人們提出了多種方法， 包括分集法[4]、 使用缺陷接地結(jié)構(gòu)(defective ground structure, DGS)[5]、 添加寄生枝節(jié)[6-7]、 使用電磁帶隙結(jié)構(gòu)(electromagnetic band-gap, EBG)[8]、 中和線法[9]、 加載超表面[10]等. 其中， 文獻[4]將輻射單元正交放置， 實現(xiàn)天線分集， 將隔離度提升至-22 dB； 文獻[5]利用有T型槽和線狀縫隙的缺陷地結(jié)構(gòu)， 將隔離度提升至-18 dB； 文獻[7]在接地板上添加L型枝節(jié)， 使輻射單元之間的耦合減少到-20 dB； 文獻[8]在兩輻射單元之間插入電磁帶隙結(jié)構(gòu)， 使天線在3.48 GHz和4.88 GHz處隔離度分別提升到-26 dB和-44 dB； 文獻[9]用帶有環(huán)狀圓盤的中和線連接兩個單極子， 激勵端口的電流和中和線引入的電流中和抵消， 使天線在3.1 GHz～5 GHz帶寬內(nèi)隔離度達(dá)到-22 dB； 文獻[10]在輻射貼片上加載由不同長度的非均勻切割線組成的超表面， 將2.5 GHz～2.7 GHz和3.4 GHz～ 3.6 GHz兩個頻段的隔離度提高到-25 dB. 此外， 人們也提出了多種引入陷波的方法， 包括蝕刻縫隙法[11-12]、 設(shè)置EBG結(jié)構(gòu)[13]、 添加寄生枝節(jié)[14]、 采用新型輻射貼片形狀[15]、 添加開口諧振環(huán)(split ring resonator, SRR)[16]等. 其中， 文獻[12]在貼片和接地板上刻蝕 L型， U型， H-L型縫隙； 文獻[13]在單極子周圍設(shè)置EBG結(jié)構(gòu)， 均產(chǎn)生了WiMAX， WLAN， X波段3段陷波； 文獻[14]在接地板上延伸矩形枝節(jié)， 產(chǎn)生WLAN陷波； 文獻[15]將輻射貼片設(shè)計成了G型結(jié)構(gòu)， 不僅可實現(xiàn)2.2 GHz～13.3 GHz的寬帶輻射， 還可產(chǎn)生WLAN陷波； 文獻[16]在微帶線兩側(cè)放置兩個大小不同的開口諧振環(huán)， 實現(xiàn)了WLAN和X波段兩段陷波. 上述方法為陷波超寬帶天線的設(shè)計提供了重要參考.

本文旨在保證天線小型化的前提下， 實現(xiàn)高隔離度三陷波特性. 通過在輻射貼片上刻蝕倒 L型縫隙實現(xiàn)了WLAN(5.09 GHz～6 GHz)和X波段(7.17 GHz～7.94 GHz)陷波； 在接地板上延伸帶有彎折的寄生枝節(jié)， 實現(xiàn)了WiMAX(3.21 GHz～4.08 GHz)波段陷波. 此外， 為提升低頻處隔離度， 在接地板上刻蝕雙頻解耦縫隙， 將4.5 GHz和6.5 GHz處的隔離度分別提升至 -20 dB 和-35 dB.

1 天線設(shè)計與分析

1.1 天線結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的高隔離度三陷波緊湊型UWB-MIMO天線結(jié)構(gòu)如圖 1 所示， 天線印刷在厚度為0.8 mm的FR4介質(zhì)基板上， 其介電常數(shù)εr=4.4， 損耗正切tanδ=0.02， 天線的尺寸為 22 mm2×29 mm2， 仿真優(yōu)化后的幾何參數(shù)具體尺寸如表 1 所示.

圖 1 天線的幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 The geometry of the antenna

表 1 天線參數(shù)Tab.1 The parameters of the antenna

圖 2 展示了天線的設(shè)計過程， 包含超寬帶的實現(xiàn)、 陷波的實現(xiàn)以及隔離度的提升3步. 最初的天線由兩個單極子和矩形接地面組成， 其輻射貼片由半圓和矩形組成， 對稱分布在介質(zhì)基板上表面， 并對其進行微帶線饋電； 矩形接地板分布在介質(zhì)基板下表面， 如圖2(a)的天線1所示.

圖 2 天線的設(shè)計過程Fig.2 Design process of the antenna

為展寬低頻段帶寬， 從接地板中間延伸出T型枝節(jié)， 如圖2(b)的天線2所示； 為抑制對窄帶通信頻段的干擾， 在接地板上延伸帶有彎折的枝節(jié)并刻蝕兩個對稱的L型槽， 實現(xiàn)了WiMAX陷波， 在天線輻射貼片上蝕刻兩條長度不同的倒 L型縫隙產(chǎn)生了WLAN和X波段兩個陷波， 如圖2(c) 的天線3所示. 最后， 為進一步減少低頻段耦合， 在T型枝節(jié)上刻蝕了雙頻解耦縫隙. 該縫隙由U形縫隙和細(xì)長矩形縫隙組成， U形縫隙在開口處向下彎曲， 長矩形縫隙從U形縫隙的底部向上延伸， 如圖2(d)的天線4所示.

圖 3 是上述4個天線的|S11|和|S21|仿真結(jié)果.

(a) |S11|

(b) |S21|圖 3 天線的S參數(shù)Fig.3 S-Parameters of the antenna

從圖3(a)中可以看出， 接地板的T型枝節(jié)很好地展寬了天線8.7 GHz以下的帶寬， 其|S11|在-10 dB以下， 實現(xiàn)了3.03 GHz～11.6 GHz的超寬帶. 枝節(jié)及縫隙的設(shè)計實現(xiàn)了3個陷波， 分別為3.21 GHz～4.08 GHz， 5.09 GHz～6 GHz和 7.17 GHz～7.94 GHz， 相應(yīng)中心頻點處的|S11|均在-5 dB以上； 圖3(b)中， 接地板延伸T型枝節(jié)后， 將3 GHz～6 GHz的隔離度提升至15 dB以上， 刻蝕解耦縫隙后， 進一步提升了4 GHz～6 GHz 處的隔離度. 這樣， 在工作帶寬范圍內(nèi)， 天線隔離度|S21|均達(dá)到20 dB以上.

1.2 陷波原理分析

為解釋陷波產(chǎn)生原理， 本文分析了3.5 GHz, 5.5 GHz和7.4 GHz處的天線表面電流分布， 如圖 4 所示. 此時端口1被激勵， 端口2接50 Ω負(fù)載. 從圖 4 可以看出， 在5.5 GHz和7.4 GHz處， 表面電流分別集中在長L型縫隙和短L型縫隙處； 在3.5 GHz處， 表面電流集中在彎折的寄生枝節(jié)和T型枝節(jié)產(chǎn)生的縫隙處. 兩個倒L型縫隙及枝節(jié)的長度分別近似等于5.5 GHz， 7.4 GHz 和3.5 GHz對應(yīng)波長的1/4， 在這些頻點處產(chǎn)生諧振， 而縫隙兩側(cè)表面電流流向相反， 其產(chǎn)生的輻射相互抵消， 形成窄帶抑制， 進而形成3個陷波.

圖 4 MIMO天線在三陷波頻點處的表面電流分布Fig.4 Surface current distributions of the MIMO antennaat triple notched frequencies

1.3 解耦原理分析

通過在接地板上延伸T形枝節(jié)和刻蝕雙頻解耦縫隙， 減少了輻射單元間的耦合. T形枝節(jié)起到反射作用， 將激勵單元的輻射反射， 從而減少耦合[14]. 為解釋解耦縫隙的去耦原理， 圖 5 展示了端口1被激勵， 端口2接50 Ω負(fù)載時， 天線在4.5 GHz和6.5 GHz處添加解耦縫隙前后的表面電流分布. 在4.5 GHz處， 添加解耦縫隙后電流主要集中在整個解耦縫隙處， 呈J型對稱分布， 耦合到非激勵端口的電流較加解耦縫隙前明顯減少. 在6.5 GHz處， 添加解耦縫隙后電流集中在解耦縫隙底部的U型縫隙處， 非激勵輻射單元幾乎沒有電流分布. 上述J型結(jié)構(gòu)長度為19.9 mm， 約為4.5 GHz對應(yīng)波長的1/2； U型縫隙的長度為15.8 mm， 約為6.5 GHz對應(yīng)波長的1/2， 這樣， 在4.5 GHz和6.5 GHz處分別產(chǎn)生諧振， 減少了耦合到非激勵輻射單元的表面電流， 從而提升了輻射單元間的隔離度. 添加解耦縫隙后的S參數(shù)如圖3(b)所示， 4.5 GHz和6.5 GHz頻點處的 |S21| 分別提升至-20 dB和-35 dB， 使天線在有效工作帶寬內(nèi)|S21|均小于-20 dB.

圖 5 天線有無解耦縫隙的電流分布圖Fig.5 Current distributions of the antenna with andwithout a decoupling slot

2 結(jié)果與討論

為驗證仿真結(jié)果的正確性和天線的實際價值， 按照表 1 中的尺寸加工了該天線， 如圖 6 所示. 利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線進行測量， 得到了其S參數(shù). 此外， 天線的輻射模式也在微波暗室中進行了測量. 由于兩輻射單元相對稱， 接下來的測試和仿真結(jié)果中， 均以激勵端口1為例進行分析.

圖 6 天線的實物圖Fig.6 Fabricated prototype of the antenna

2.1 S參數(shù)

圖 7 為仿真和測試的S參數(shù).

圖 7 天線測試和仿真的S參數(shù)Fig.7 Measured and simulated S-parameters for the antenna

可以看出， 測試結(jié)果和仿真結(jié)果吻合較好. 測試的|S11|寬帶范圍為3.1 GHz～10.6 GHz， 同時具有3.3 GHz～3.8 GHz, 5 GHz～5.75 GHz和7 GHz～7.5 GHz 3個陷波. 從測試的|S21|可以看出， 天線隔離度均大于20 dB， 表明天線具有較好的隔離度.

2.2 輻射性能

圖 8 展示了MIMO天線在5GHz處的三維輻射方向圖， 從圖中可以看出， 當(dāng)端口1和端口2分別被激勵時， 天線分別會沿著-y軸和+y軸定向輻射， 輻射單元2的最小電場方向與輻射單元1的最大電場方向一致， 使得輻射模式之間的重疊可以忽略不計， 從而使兩輻射單元之間呈現(xiàn)低相關(guān)性， 增加天線單元之間的隔離度.

圖 8 5 GHz處的三維輻射方向圖Fig.8 3-D radiation patterns at 5 GHz

圖 9 為天線在5 GHz, 7GHz和9GHz處的端口1激勵下的yz面和xy面的仿真和測試的平面輻射方向圖. 從圖 9 中可以看出， 隨著頻率增大， 天線在yz面和xy面的方向圖較為穩(wěn)定.此外， 天線的xy面方向圖在φ=270°左右增益達(dá)到最大， 與上述三維輻射方向圖比較吻合.

(a) 5 GHz

(b) 7 GHz

(c) 9 GHz圖 9 歸一化平面輻射方向圖Fig.9 Normalized radiation patterns

圖 10 展示了天線峰值增益以及輻射效率， 從圖中可以看出天線的峰值增益在工作頻帶內(nèi)從 0 dB 上升到5.8 dB， 平均輻射效率達(dá)到90%以上. 在3.5 GHz, 5.5 GHz和7.4 GHz處的陷波頻段增益和輻射效率明顯下降， 說明天線可以很好地抑制窄帶干擾.

圖 10 天線的峰值增益和輻射效率Fig.10 The peak gain and radiation efficiency of the antenna

2.3 分集特性

包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(Envelope Correlation Coefficient， ECC)是驗證MIMO天線分集特性的重要參數(shù). ECC 越小， 則表明天線單元間的分集性能更好. 可接受的ECC范圍一般小于0.3. 本文天線的ECC利用下面公式進行計算：

圖 11 天線的ECCFig.11 The ECC of the antenna

ECC的計算結(jié)果如圖 11 所示. 可以看出， 除陷波頻段外， ECC均小于0.005， 表明該天線兩輻射單元間具有較低的相關(guān)性， 具有良好的分集特性.

3 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種具有三陷波特性的高隔離度小型化UWB MIMO天線， 天線整體尺寸僅為 22 mm3×29 mm3×0.8 mm3， 通過刻蝕縫隙及延伸枝節(jié)的方式產(chǎn)生陷波， 并在接地板上延伸T型枝節(jié)， 同時刻蝕雙頻解耦縫隙實現(xiàn)了高隔離度. 仿真和測試結(jié)果表明， 天線的工作帶寬覆蓋了3.1 GHz～10.6 GHz， 隔離度高于20 dB， 且具有WiMAX， WLAN和X波段三段陷波. 天線在非陷波段輻射效率可以平均達(dá)到90%以上， ECC小于0.005. 該天線綜合性能良好， 可很好地用于便攜式UWB MIMO通信系統(tǒng).