CPW饋電的高隔離度超寬帶MIMO槽天線設計

越志華,杜成珠,楊福慧

(1.上海電力大學 電子與信息工程學院,上海 201306;2. 中電科微波通信(上海)有限公司,上海 201802)

0 引言

自2002年美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)將超寬帶(UWB)頻帶(3.1～10.6 GHz)開放民用后,UWB天線引起了學者們的廣泛關注,得到了較大發(fā)展。UWB天線因具有功率損耗低,信息傳輸速率高及信道衰落低的優(yōu)勢而被廣泛應用[1]。

多輸入多輸出(MIMO)技術的應用可以獲取空間分集增益和空間復用增益,克服信道衰落,降低誤碼率,提高信道可靠性,提升通信質量。MIMO技術和UWB技術的結合可實現(xiàn)寬頻帶、長距離、大容量和高速率的無線通信。MIMO技術的關鍵是使發(fā)射端或接收端的多個天線互相獨立,保持較高的隔離度,以獲得更高的分集增益。近年來,在MIMO天線的研究中,學者們針對性地提出了不同的解耦方案,如缺陷地(DGS)法[2-3]、加載中和線法[4-5]、加載電磁帶隙(EBG)法[6-7]、模式正交法[8-10]及加載隔離枝節(jié)[11-15]等。文獻[3]采用缺陷地方法在接地板頂端刻蝕兩個半徑相等的半圓形槽,減小了兩天線端口間耦合,實現(xiàn)了天線的高隔離度。文獻[8]設計了一款正交放置的高隔離度柔性MIMO天線,在兩個輻射單元間引入一個倒F枝節(jié),使該天線在8～15 GHz頻段的隔離度得到顯著改善。互補開口諧振環(huán)(CSRR)也可用于提高天線隔離度。文獻[11]加載了倒L形寄生枝節(jié),提高了單元間隔離度,應用CSRR結構進一步提高了天線在低頻頻段(3～3.6 GHz)的隔離度。文獻[15]將矩形槽刻蝕在地板上,并在天線單元間加載T型隔離枝節(jié),使天線整個頻段內的隔離度得到提高。

與常規(guī)微帶線饋電的天線相比,采用共面波導(CPW)饋電的微帶天線具有易加工、便集成、易與器件串并聯(lián)、制作簡單及對介質板要求低等優(yōu)點,因此,CPW饋電方式在單片微波集成電路及其相關領域得到了普遍應用。

本文設計了一種高隔離度超寬帶MIMO槽天線。天線由兩個單極子槽天線對稱放置組成,采用CPW結構進行饋電。通過對地板切角,天線的阻抗帶寬得到拓展,引入的中和線結構能有效提高端口間的隔離度。實測表明,天線在2.88～11.18 GHz頻段內回波損耗S11小于-10 dB,S21小于-20 dB,包絡相關系數(shù)(ECC)小于0.002,分集增益(DG)大于9.996 dB。

1 天線結構設計

本文提出的高隔離度UWB-MIMO槽天線的結構圖和實物圖如圖1所示。天線采用相對介電常數(shù)為4.4的FR4介質基板,基板厚度為0.8 mm,損耗角正切值為0.02。天線采用CPW饋電,整體尺寸為30 mm×56 mm,介質基板上蝕刻有兩個單極子貼片、共面地板、CPW饋線及中和線結構,中和線結構由水平方向金屬帶和垂直方向幾字形金屬條帶組成。天線尺寸的最終優(yōu)化結果如表1所示。

表1 天線尺寸 mm

圖1 天線的結構圖和實物圖

圖2為天線的設計過程。設計步驟中天線I、II、III的S參數(shù)如圖3所示。首先設計了一款基于CPW饋電的單極子槽天線,如圖2(a)所示。天線I的阻抗帶寬為3.95～11.51 GHz。如圖2(b)所示,天線II由兩個單元天線并排放置,中間沒有解耦結構。通過調節(jié)單元天線間隔距離、CPW饋電線寬度以及饋電線與共面地之間的縫隙寬度,使天線II的阻抗帶寬覆蓋了2.42～11.33 GHz,但由于缺少解耦結構,在UWB范圍內天線的S21僅小于-12 dB,天線沒有足夠的隔離度。

圖2 天線演變過程

圖3 天線I、II與III的S參數(shù)對比圖

為了實現(xiàn)高隔離度特性,獲得更大的分集增益,在天線之間加載中和線結構,得到了天線III,其結構如圖2(c)所示。解耦結構的加入改變了天線的電流分布,中和線與激勵端天線單元形成耦合,非激勵端口的電流大幅減少, 從而實現(xiàn)了天線III的高隔離度。對比圖3(a)、(b)可以看出,天線II、III的S11值變化不大,但S21變化明顯。加載中和線解耦結構后,天線II在2.8～8 GHz頻段內隔離度有明顯的改善,S21都小于-20 dB,說明該MIMO天線具有較高的隔離度。

2 仿真和實測結果

本文利用ANSYS HFSS 19進行了天線的仿真設計和參數(shù)的優(yōu)化分析,同時分析了地板切角和中和線結構對天線性能的影響,最后給出了天線的仿真和實測結果。

2.1 天線結構分析

2.1.1 地板切角對天線性能的影響

對地板切角能改善天線的阻抗匹配,圖4為天線III地板切角的S參數(shù)對比。由圖可看出,對MIMO天線地板對稱切除三角形后,天線S21基本不發(fā)生改變,而天線阻抗帶寬(S11<-10 dB)得到較大提升,由2.55～9.74 GHz拓寬至2.55～11.28 GHz,因此,該結構能有效地拓寬天線的工作帶寬,而對天線隔離度基本無影響。

2.1.2 中和線結構對天線電流的影響

設計MIMO天線時需盡可能提高天線間隔離度,減小各個信道間的干擾,在天線單元間加載中和線結構,可有效地降低單元間的耦合,從而提高單元天線間的隔離度。為了驗證中和線結構提高天線隔離度的有效性,在6 GHz時對天線II、III的表面電流分布進行了分析。端口1連接到激勵源,端口2連接50 Ω的匹配負載,MIMO天線的電流分布如圖5所示。由圖可看出,當中和線被加載到這兩個單元之間時,表面電流沿著中和線的路徑流動,集中在中和線結構中,而不是流入端口2,端口2的電流密度明顯降低,故中和線結構的應用有效地減小端口1,2間的干擾,從而提高了兩者之間的隔離度。

圖5 天線II、III電流分布

2.1.3 解耦結構中矩形槽尺寸的參數(shù)分析

解耦結構中矩形槽大小會影響天線單元間隔離度,L3、W3是矩形槽的重要尺寸。

圖6為不同L3時天線的S參數(shù)。由圖可看出,隨著L3的增大,天線的S11變化較小,對帶寬的影響較小,而天線的S21變化較大。當L3=4.2 mm時,基本滿足20 dB隔離度的頻帶(為3～13.5 GHz),帶寬中有少量頻點的S21>-20 dB。L3=4.7 mm時,20 dB的高隔離度帶寬的下界限降低,覆蓋2.80～13.5 GHz頻段。隨著L3的增大,槽的寬度增加,由4.7 mm增大到5.2 mm和5.7 mm,在4.5～5.5 GHz和7～8 GHz時,天線的隔離度惡化,不滿足20 dB的高隔離度要求。綜合分析比較可知,L3=4.7 mm時,天線隔離度最佳。

圖6 L3不同取值下S參數(shù)結果

圖7為不同W3時天線的S參數(shù)對比圖。由圖可知,W3作為解耦結構的尺寸,幾乎只影響天線的隔離度,隨著W3變化,天線-10 dB阻抗帶寬變化不大。由圖7(b)可看出,隨著W3增大時,在4～8 GHz時天線的隔離度增加,但天線滿足20 dB高隔離度的頻率點向右偏移。優(yōu)化分析可知,W3=15.6 mm時,天線的S21表現(xiàn)最佳。

圖7 W3不同取值下的S參數(shù)結果

2.2 S參數(shù)

S參數(shù)是反映天線性能的重要指標之一,通過使用安捷倫PNAL N5230A網絡分析儀對加工天線的S參數(shù)進行測試。圖8、9分別為天線S11、S21的仿真與實測對比圖。由圖可看出,天線的實測工作帶寬覆蓋2.88～11.18 GHz,相對帶寬為118.1%,在天線工作頻段內,S21均小于-20 dB,滿足高隔離度的要求。仿真和實測數(shù)據(jù)的差異主要由加工精度,SMA接口損耗和實測時環(huán)境的不確定因素引起。

圖8 S11仿真與實測結果

圖9 S21仿真與實測結果

2.3 輻射方向圖

圖10為天線在3.5 GHz、7 GHz及9 GHz頻點的仿真與實測的E、H面歸一化方向圖。

圖10 E、H面歸一化方向圖仿真與實測結果

在測試MIMO天線方向圖時,端口1接激勵源,端口2接50 Ω的匹配負載。由圖10可看出,在3.5 GHz、7 GHz時,天線的H面歸一化遠場輻射圖近似呈圓形,具有全向輻射的特性,E面歸一化方向圖大體呈現(xiàn)“8”字,具有雙向輻射特性。由于UWB天線在高頻工作時輻射出更多的電磁波,其模式性能將下降。因此,在9 GHz時,H平面和E平面的輻射模式略有畸變。實測和仿真數(shù)據(jù)表明,該天線在超寬帶內具有良好的輻射性能。

2.4 增益

天線的仿真與實測增益如圖11所示。由圖可知,天線在2.88～11.18 GHz工作頻段內的增益為2.3～6.8 dBi,增益穩(wěn)定,具有良好的輻射信號能力。由于測量環(huán)境的不確定因素和SMA接口損耗,實測和仿真數(shù)值之間存在一定的誤差。

圖11 仿真與實測增益結果

2.5 分集性能

ECC是描述MIMO天線分集性能的關鍵指標。ECC描述了天線元件被放置在有限區(qū)域時的相關程度,ECC數(shù)值越小,各信道間相關性越低,MIMO天線分集性能越好。利用雙端口MIMO天線的公式[17],從S參數(shù)中可計算ECC值,即:

|S21|2)(1-|S21|2-|S22|2)]

(1)

MIMO天線分集性能的另一個重要參數(shù)是分集增益DG,它表示MIMO天線系統(tǒng)對信噪比能力的提高,其計算式[18]為

(2)

設計MIMO天線時,天線的一般要求ECC<0.5,DG>9.9。本文所提出天線的仿真和實測ECC<0.002,DG>9.996,這表明兩單元天線間的端口具有良好的獨立性,天線分集性能表現(xiàn)良好。

3 天線性能比較

表2為MIMO天線性能對比。由表可看出,本文提出天線的相對帶寬較優(yōu)。文獻[11]采用側饋,不具有CPW便于集成的優(yōu)勢。文獻[9-10,12]雖然采用CPW饋電,但其接地板未連接在一起,沒有公共參考電位,這可能導致其輻射不穩(wěn)定。文獻[15] 天線的隔離度不大,與本文天線相比,其解耦效果較差。從天線分集性能角度分析,本文所提天線的包絡相關系數(shù)小于0.002,分集增益高于9.996。

表2 MIMO天線性能對比

4 結束語

本文提出了一種用于UWB通信的高隔離度MIMO槽天線。天線采用CPW饋電,由兩個并排放置的天線單元和隔離結構組成。通過對地板切角,使天線獲得了良好的阻抗匹配。通過在天線單元間加載的中和線隔離結構來提高天線的隔離度。經測量,天線S11小于-10 dB的相對帶寬為118.1%(2.88～11.18 GHz),該頻段內天線S21均小于-20 dB,增益穩(wěn)定,最大增益為6.8 dB,ECC<0.005,DG>9.99。結果表明,該天線具有良好的性能,在UWB無線通信中具有較好的應用前景。