王榮榮，劉明偉

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

近年來超寬帶無線通信得到了學(xué)術(shù)界和業(yè)界的廣泛關(guān)注，人們對超寬帶天線也進(jìn)行了大量的研究和設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)的超寬帶天線是在天線地板平面上開一個(gè)矩形槽來提高隔離度，但是設(shè)計(jì)的超寬帶天線阻抗帶寬過高。文獻(xiàn)[2]提出的雙極化超寬帶天線，實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配，可是設(shè)計(jì)中沒有考慮天線的軸比問題。文獻(xiàn)[3]中設(shè)計(jì)的多輸入多輸出（MIMO）超寬帶天線，顯著地降低了多徑衰落的影響，然而設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)不緊湊，體積過大。綜上所述，現(xiàn)有的天線無法很好滿足超寬帶天線結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，抗多路干擾、減少信號衰減、高隔離度、阻抗匹配等要求。

本文設(shè)計(jì)了一種新型、緊湊的雙極化超寬帶MIMO天線，采用一個(gè)六邊形結(jié)構(gòu)的貼片，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的目的，而且可以減少信號衰減、抗多路干擾等。在六邊形貼片的地板平面上接一個(gè)矩形垂直臂，實(shí)現(xiàn)了35%的3 dB軸比帶寬，以及兩個(gè)端口之間的隔離。同時(shí)，在矩形垂直臂中加入一個(gè)L型散熱器，提高了隔離度。該天線明顯減少了多徑衰落的影響，而且具有很高數(shù)據(jù)吞吐量。該天線可以應(yīng)用于超寬帶無線通信系統(tǒng)。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖 1所示為天線的結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖，圖 1（a）為天線結(jié)構(gòu)示意圖，圖1（b）為天線實(shí)物的正面，圖1(c)為天線實(shí)物的底面。設(shè)計(jì)的超寬帶MIMO天線相對介電常數(shù)為 4.4，天線尺寸為 25 mm×25 mm×1.6 mm。天線由一個(gè)六邊形貼片組成，它有兩個(gè)L型的散熱器，用來提高隔離度和實(shí)現(xiàn)阻抗匹配[4]。矩形垂直臂尺寸為L1×W1。六邊形的半徑為12 mm，天線采用50 Ω微帶線饋電，饋線末端帶有圓形調(diào)諧枝節(jié)，為了改善軸比帶寬，在饋電點(diǎn)下方的地板上挖一個(gè)矩形缺口，形成漸變結(jié)構(gòu)阻抗帶寬，尺寸大小為L2×W2。獲得的中心頻率約為7 GHz，可以利用下面的公式對中心頻率進(jìn)行計(jì)算[5]：

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖和天線實(shí)物Fig.1 Antenna structure schematic and antenna object

式中：c為光速；R為六邊形的半徑；εr為相對介電常數(shù)；fc為中心頻率。

在設(shè)計(jì)天線的過程中，首先是在地板上開兩個(gè)寬槽，由于這種做法隔離度低，所以在寬槽內(nèi)加上兩個(gè)反射條，用于提高隔離度和激發(fā)無線通信鏈路頻率的圓極化波輻射，為了更好實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，在天線中又引入L型散熱器，導(dǎo)致了軸向比的下降，最后，在地板上開一個(gè)矩形缺口，來提高軸比帶寬。采用三維電磁仿真軟件 CST對天線設(shè)計(jì)的幾個(gè)階段進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2所示，為S11參數(shù)和頻率的關(guān)系曲線，圖3所示為隔離度和頻率的關(guān)系曲線[6]。

圖2 S11參數(shù)和頻率的關(guān)系曲線Fig.2 The relation curves of S11 parameters and frequencies

圖3 隔離度與頻率的關(guān)系Fig.3 The relationship between isolation and frequency

從圖2和圖3中可以看出，天線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)優(yōu)化，其性能在不斷地提高，使得最終加工出的實(shí)際天線性能可以滿足超寬帶MIMO天線的應(yīng)用[7]。

2 測量結(jié)果和討論

采用三維電磁仿真軟件CST進(jìn)行天線仿真。使用R&S ZVL矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別對圓極化軸比、天線增益和輻射特性進(jìn)行測量。仿真和測量的S11參數(shù)和頻率的關(guān)系如圖4所示。圖5所示為天線的仿真和測量的軸比（AR）和頻率的關(guān)系曲線；圖6所示為天線的仿真和測量增益和頻率的關(guān)系曲線。天線增益在2 dBi到5 dBi之間，測量的天線峰值增益在10 GHz 下為 5 dBi[8]。

圖4 S11參數(shù)和頻率的關(guān)系曲線Fig.4 The relation curves of S11 parameters and frequencies

圖5 AR與頻率的關(guān)系曲線Fig.5 The relationship between AR and frequency

圖6 天線增益和頻率的關(guān)系曲線Fig.6 The relationship between antenna gain and frequency

如圖7所示，選擇不同的頻率進(jìn)行輻射特性分析，分別在5，7和9 GHz仿真和測量輻射特性，用紅色線表示仿真結(jié)果，用藍(lán)色線表示測量結(jié)果。可以觀察到這種緊湊的MIMO天線具有極化多樣性，從而達(dá)到高隔離的目的[9]。

天線的仿真和測量隔離度如圖8所示。從圖可以看出，在3.0～10 GHz帶寬內(nèi)隔離度大于15 dB[10]。

包絡(luò)相關(guān)系數(shù)（ECC）是超寬帶天線分析的重要參數(shù)。ECC是表征天線信號衰落能力的。圖9所示為仿真和測量的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)結(jié)果。從圖中可以看出，ECC的測量值小于0.01。相關(guān)性可以用下面的計(jì)算公式表示[9]：

圖7 輻射特性Fig.7 Radiation characteristics

圖8 隔離度和頻率關(guān)系曲線Fig.8 Curves of isolation and frequency

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

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種緊湊的雙極化超寬帶MIMO天線，其具有較高的隔離度，通過在寬槽內(nèi)加上兩個(gè)反射條，并引入L型散熱器，使天線的性能改善，測量的隔離度大于15 dB。ECC測量結(jié)果在可接受的范圍內(nèi)，天線可以應(yīng)用于超寬帶無線通信系統(tǒng)中。

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