文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172998
中文引用格式: 尹波,顧靜,,孫利軍. 基于改進(jìn)型中和線的MIMO天線設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2018,44(5):124-128.
英文引用格式: Yin Bo,,Gu Jing,,Sun Lijun. Design of MIMO antenna based on an improved neutralization line[J]. Application of Electronic Technique,2018,,44(5):124-128.
0 引言
隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展,,用戶對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能,、頻譜的利用率提出了更高的要求,且不斷追尋移動(dòng)設(shè)備的小型化與便攜性多入多出(Multiple Input Multiple Output,,MIMO)天線適用于多頻段的無線通信,,但是由于手機(jī)空間較小,天線單元之間存在不可避免的耦合作用,,使得MIMO天線單元之間的相關(guān)性較大[1],,削減了MIMO天線在提高信道容量上的優(yōu)勢(shì)。
近年來,,國(guó)內(nèi)外大量專家學(xué)者對(duì)MIMO天線進(jìn)行了研究,,主要的研究方向是MIMO天線單元間的去耦。引入地板縫隙是去耦方法中最簡(jiǎn)單、最有效的,,且容易加工制作,,其去耦原理主要是通過減小天線單元之間的傳播信號(hào)波長(zhǎng)來減小單元之間的相關(guān)性[2-3]。文獻(xiàn)[4]提出一種U型寬帶MIMO天線,,采用引入地板縫隙的方法,,在2.4 GHz~6.35 GHz工作頻帶內(nèi)的MIMO天線隔離度能夠達(dá)到-20 dB。文獻(xiàn)[5]中提出的超寬帶帶阻MIMO天線引入了T型枝節(jié)結(jié)構(gòu),,該結(jié)構(gòu)耦合到天線單元2的電流與天線單元1耦合到天線單元2的電流相位相反,,相互抵消,減弱了天線單元間相關(guān)性[6-7],。同樣,,在MIMO天線中引入寄生單元[8]進(jìn)行去耦與加載T型地板枝節(jié)的去耦原理相似。文獻(xiàn)[9]中提出的天線采用了引入寄生單元的方法進(jìn)行去耦,,工作頻段覆蓋了2.4 GHz~2.5 GHz和5.15 GHz~5.825 GHz兩個(gè)頻段,,且具有良好的隔離度。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于槽天線的小型化超寬帶MIMO天線,,采用在地板上開槽和方向圖分集的方法,,天線在3.1 GHz~7 GHz頻段內(nèi)S12<-10 dB,在7 GHz~11 GHz頻段內(nèi)S12<-25 dB,,實(shí)現(xiàn)了天線的高隔離度,。中和線技術(shù)是2006年提出的一種解耦技術(shù),通過引入一條電流路徑以抵消在相鄰單元上的表面波耦合,,實(shí)現(xiàn)MIMO天線的去耦,。文獻(xiàn)[11]提出的超寬帶MIMO天線通過引進(jìn)寬帶中和線,降低了天線單元耦合,,設(shè)計(jì)出的MIMO天線在3.1 GHz~5 GHz處隔離度達(dá)到-22 dB。中和線的長(zhǎng)度,、變形對(duì)天線的隔離度也有較大的影響,。文獻(xiàn)[12]提出的天線采用了兩根不同長(zhǎng)度的中和線,通過聯(lián)合解耦的方式,,在反射系數(shù)-6 dB的標(biāo)準(zhǔn)帶寬下,,實(shí)現(xiàn)了多個(gè)不同寬頻帶范圍內(nèi)的解耦。文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)的中和線采用多重折疊結(jié)構(gòu),,介質(zhì)基板底部中和線折疊14次,,頂部折疊了20次,實(shí)現(xiàn)了天線的解耦,。但是,,上述提出的兩種中和線的物理總長(zhǎng)度都比較長(zhǎng),且文獻(xiàn)[13]中的解耦結(jié)構(gòu)比價(jià)復(fù)雜,這在一定程度上增加了天線設(shè)計(jì)的復(fù)雜度以及實(shí)物加工的成本,。
本文通過在地板上放置兩個(gè)天線單元結(jié)構(gòu),,單元之間用金屬中和線進(jìn)行連接,并在中和線上加載集總電感元件,,對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn),,同時(shí)利用在地板上加載T型地板枝節(jié),實(shí)現(xiàn)了MIMO天線的去耦,。最后,,在仿真優(yōu)化的基礎(chǔ)上,對(duì)天線進(jìn)行了實(shí)物的加工和測(cè)試,,實(shí)物測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致,。
1 天線設(shè)計(jì)
本文提出并設(shè)計(jì)了一款具有較高隔離度的MIMO手機(jī)天線,其主要采用耦合饋電技術(shù)和帶阻匹配電路加載技術(shù)來實(shí)現(xiàn),,滿足S11<-6 dB,,S21<-10 dB,工作頻段為824 MHz~960 MHz和2 300 MHz~2 600 MHz,。
1.1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
所提出的MIMO天線具體結(jié)構(gòu)如圖1所示,,由兩個(gè)中心對(duì)稱的天線單元構(gòu)成,中間通過U型中和線進(jìn)行連接,,每個(gè)天線單元結(jié)構(gòu)的尺寸為10 mm×22 mm,,天線總占有的尺寸為10 mm×60 mm。
該天線印刷在介電常數(shù)為4.4的FR-4介質(zhì)基板上,,基板尺寸為120 mm×60 mm×0.8 mm,。在天線的地板中間加入T型枝節(jié),用來提高M(jìn)IMO天線的隔離度,。該天線采用了50 Ω同軸線饋電的激勵(lì)方式,。
1.2 MIMO天線的構(gòu)成
所設(shè)計(jì)的MIMO天線采用耦合饋電方式,通過帶阻電路和饋電線結(jié)合組成直接饋電部分,,兩個(gè)天線單元之間的距離只有16 mm,。圖2給出的是天線和每個(gè)單元的具體幾何形狀和尺寸。天線結(jié)構(gòu)各部分的尺寸具體參數(shù)如表1所示,。其中A1~A4是電感,,C1是電容。
耦合饋電部分由短路線和集總元件組成,,天線結(jié)構(gòu)圖2(d)的饋電線直接產(chǎn)生高頻(2 300 MHz~2 600 MHz),,低頻(824 MHz~960 MHz)由圖2(b)中的帶阻電路和耦合饋電線共同作用產(chǎn)生。用于連接兩個(gè)天線單元的U型金屬線長(zhǎng)度為50 mm,,該長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于低頻諧振點(diǎn)的長(zhǎng)度,,微帶金屬線加入的目的是實(shí)現(xiàn)在低頻段去耦,。天線的背面加入了T型地板枝節(jié),如圖2(c)所示,,該結(jié)構(gòu)主要是用于降低兩個(gè)天線單元在高頻段的耦合度,。由于手機(jī)設(shè)備對(duì)天線尺寸要求的限制,為了能夠覆蓋GSM850/900 MHz的工作頻帶,,該天線在饋電端口額外增加了一個(gè)帶阻匹配網(wǎng)絡(luò),,結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示,帶阻匹配電路的加入改善了天線的阻抗匹配,。
1.3 天線的去耦
所設(shè)計(jì)的MIMO天線要求天線單元之間的耦合較小,,因此采用U型中和線的方式進(jìn)行去耦。利用中和線去耦的方法能夠在保持原有天線尺寸的基礎(chǔ)上,,有效地減小低頻處的耦合,。但是,在天線單元之間放置中和線時(shí),,其位置是難以確定的,,這也是MIMO天線設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。
本文所設(shè)計(jì)的天線采用的是U型中和線結(jié)構(gòu),,尺寸大小為50 mm×0.5 mm,,并對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn),在中和線的中間位置加載大小為15 nH的集總電感,,用于提高天線單元間的隔離度,,也縮短了中和線的物理長(zhǎng)度。
2 仿真結(jié)果分析
2.1 MIMO天線隔離效果分析
隔離度是衡量MIMO天線性能的重要指標(biāo)之一,。該天線采用了T型地板枝節(jié)和中和線去耦的方法來提高天線單元間的隔離度,。T型地板枝節(jié)的作用主要是降低天線在高頻段的隔離度,該結(jié)構(gòu)能夠使天線單元之間產(chǎn)生兩個(gè)相位相反的電流,,相互抵消,,從而提高天線的隔離度。中和線的加入主要是用于降低天線在低頻段的耦合,。這里主要考察在改進(jìn)型U型中和線上加載的集總電感A2對(duì)天線隔離度的影響,。
如圖3所示,A2取值的增大對(duì)天線在低頻處S參數(shù)基本沒有影響,。圖3(b)S21曲線中,A2增大時(shí),,天線在高頻部分的隔離效果逐漸變差,。根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果圖,當(dāng)A2的取值為15 nH時(shí),,天線在覆蓋頻段內(nèi)的去耦效果最佳,,隔離度能基本達(dá)到天線的設(shè)計(jì)要求,。
將所設(shè)計(jì)的MIMO天線分別與兩個(gè)參考天線進(jìn)行S參數(shù)的對(duì)比,分析隔離性能的好壞,。其中,,參考天線1未加T型地板枝節(jié)和U型中和線,參考天線2未加U型中和線,,3種天線的 S參數(shù)曲線對(duì)比如圖4所示,。
參考天線1的S參數(shù)在高頻處只有一個(gè)諧振點(diǎn),且頻帶的范圍相對(duì)較窄,,隔離度在-7 dB左右,。參考天線2的S參數(shù)頻帶向左平移了一段距離,但整體對(duì)低頻段的影響不大,,天線的隔離度仍達(dá)不到理想情況,。設(shè)計(jì)的MIMO天線在低頻段和高頻段內(nèi)的隔離度都能達(dá)到-10 dB以上,隔離效果與兩個(gè)參考天線相比,,都有所提高,,且天線能夠覆蓋824 MHz~960 MHz和2 300 MHz~2 600 MHz兩個(gè)頻段。
天線結(jié)構(gòu)上的電流分布能很好地體現(xiàn)中和線的去耦效果,。天線工作在850 MHz時(shí),,電流分布情況如圖5所示。
在加入U(xiǎn)型中和線之后,,左邊的天線單元電流強(qiáng)度減弱,,傳到右邊天線單元的電流也得到了削弱。在不增加中和線結(jié)構(gòu)時(shí),,天線在低頻段的隔離度約為7.5 dB,,在加入U(xiǎn)型中和線結(jié)構(gòu)之后,兩個(gè)天線單元之間的隔離度提高了3 dB左右,,低頻段天線單元之間的相關(guān)性明顯減小,。該MIMO天線由于U型中和線的加入,在低頻部分達(dá)到了去耦的效果,。
2.2 天線輻射方向圖
天線輻射方向圖也是衡量天線性能的重要指標(biāo)之一,,本文對(duì)設(shè)計(jì)的MIMO天線進(jìn)行了方向圖仿真,圖6為該天線在xoz面和yoz面的方向圖,,豎軸代表該天線在不同方向上的增益,。
從圖6中可以看出,在850 MHz的工作頻率時(shí),,該天線在xoz平面的輻射方向圖呈現(xiàn)∞型,,與單極子天線的輻射方向圖近似。當(dāng)天線工作在2 500 MHz時(shí),,天線的輻射模式呈現(xiàn)多樣性,。在方向圖中,,Eθ和Eφ的大小基本相同,所設(shè)計(jì)的天線具有良好的穩(wěn)定性,。
3 天線實(shí)物加工測(cè)試結(jié)果
本文在應(yīng)用電磁仿真軟件HFSS設(shè)計(jì)和仿真MIMO天線的基礎(chǔ)上,,對(duì)天線進(jìn)行了加工制作,圖7所示為天線的加工實(shí)物圖,。
對(duì)該MIMO天線的加工實(shí)物用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試,,測(cè)試結(jié)果如圖8所示。從實(shí)際測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果來看,,S參數(shù)在天線所需要覆蓋的頻段范圍內(nèi)走向基本一致,,在低頻824 MHz~960 MHz和高頻2 300 MHz~2 600 MHz內(nèi)分別滿足S11<-6 dB,S21<-10 dB,。但是,,在其他頻段內(nèi),實(shí)際測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果有一定的差距,。誤差產(chǎn)生的主要原因是天線結(jié)構(gòu)中的帶阻匹配電路,、中和線的電容和電感在焊接的過程中容易引起誤差。其次,,電容電感的大小本身也存在一定誤差,,且同軸線在加工過程中會(huì)有所損耗。同時(shí),,在電容和電感的焊接過程中,,焊錫的多少也會(huì)造成誤差的產(chǎn)生。
4 結(jié)論
本文提出并設(shè)計(jì)了一款利用改進(jìn)型中和線方法去耦的MIMO手機(jī)天線,。在MIMO天線的去耦方面,,該天線通過在兩個(gè)天線單元之間加入中和線,并在中和線上加載集總電感元件進(jìn)行改進(jìn),,成功實(shí)現(xiàn)了天線的去耦,,并使天線得到小型化。同時(shí),,所設(shè)計(jì)的天線擁有突出的地平面,,可以在上面安裝其他元器件,節(jié)約手機(jī)主板的空間,,使實(shí)體天線的結(jié)構(gòu)更為緊湊,。天線實(shí)物測(cè)試的結(jié)果進(jìn)一步證明該天線具有良好的工作性能,基本符合了手機(jī)天線的設(shè)計(jì)要求,。
參考文獻(xiàn)
[1] JENSEN M A,,WALLACE J W.A review of antennas and propagation for MIMO wireless communications[J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation,2004,,52(11):2810-2824.
[2] AYATOLLAHI M,,Rao Qinjiang,Wang Dong.A compact high isolation and wide band with antenna array for long term evolution wireless devices[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,,2012,,60(10):4960-4963.
[3] Zhou Xiang,Quan Xulin,,Li Ronglin.A dual-broadband MIMO antenna GSM/UMTS/LTE and WLAN handsets[J].IEEE Antennas and Wireless Letters,,2012,11:551-554.
[4] Li Jianfeng,,Chu Qingxin,,Huang Tiangui.A compact wideband MIMO antenna with two novel bent slits[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2012,,60(2):482-489.
[5] Kang Le,,Li Hui,Wang Xinhuai,,et al.Compact offset microstrip-fed MIMO antenna for band-notched UWB applications[J].IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters,,2015,14:1754-1757.
[6] CAI Y,,DU Z,,GONG K.A novel wideband diversity antenna for mobile handsets[J].Microwave & Optical Technology Letters,2009,,51(1):218-222.
[7] Zhang Shuai,,Ying Zhinong,Xiong Jiang,,et al.Ultra wide band MIMO/diversity antennas with a tree-like structure to enhance wideband isolation[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,,2009,8:1279-1282.
[8] Li Zhengyi,,Du Zhengwei,,TAKAHASHI M,et al.Reducing mutual coupling of MIMO antennas with parasitic elements for mobile terminals[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,,2012,,60(2):473-481.
[9] ADDACI R,DIALLO A,,LUXEY C,,et al.Dual-band WLAN diversity antenna system with high port-to-port isolation[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2012,,11:244-247.
[10] 吳艷杰,,龍?jiān)屏?一種小型化超寬帶MIMO天線設(shè)計(jì)[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2016,,31(3):421-425,,461.
[11] Zhang Shuai,,PEDERSEN G F.Mutual coupling reduction for UWB MIMO antennas with a wideband neutralization line[J].IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters,2016,,15:166-169.
[12] Wang Yan,,Du Zhengwei.A wideband printed dual-antenna with three neutralization lines for mobile terminals[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2014,,62(3):1495-1500.
[13] Wang Shang,,Du Zhengwei.Decoupled dual-antenna system using crossed neutralization lines for LTE/WWAN smartphone applications[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2015,,14(6):523-526.
作者信息:
尹 波,,顧 靜,孫利軍
(重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院,,重慶400065)