李凱佳, 杜成珠, 鄭煒晴, 焦哲晶

(上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

近年來(lái),隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展,移動(dòng)通信逐漸從第一代通信發(fā)展到目前廣為普及的第四代移動(dòng)通信,且第五代通信技術(shù)商用測(cè)試正在穩(wěn)步進(jìn)行中。隨著5G通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展,人們對(duì)通信設(shè)備的性能也提出了新的要求。相比4G通信,5G能提高10倍的信號(hào)傳輸速率、降低至毫秒級(jí)別的傳輸延時(shí),以及上百倍的終端設(shè)備連接。但目前無(wú)線通信使用的頻譜資源十分有限,因此利用高頻段通信是5G移動(dòng)通信的必然趨勢(shì)[1]。

毫米波(Millimeter Wave,mm Wave)多天線技術(shù)是滿足海量數(shù)據(jù)高速率通信需求的關(guān)鍵技術(shù)之一。與現(xiàn)有的微波頻段不同,毫米波的頻譜資源十分豐富,但毫米波信號(hào)繞射能力差、在空氣中衰減大,因此對(duì)抗嚴(yán)重的路徑損耗是毫米波通信亟待解決的問(wèn)題。多天線技術(shù)(Multiple Input Multiple Output,MIMO)是在信號(hào)發(fā)射端使用多個(gè)發(fā)射天線,同時(shí)在信號(hào)接收端也對(duì)應(yīng)地使用多個(gè)接收天線構(gòu)成的多路信號(hào)傳輸物理路徑。相比單天線系統(tǒng),其傳輸容量得到極大的提升。毫米波天線尺寸小、易集成,因此在毫米波傳輸中結(jié)合MIMO能夠取得良好的效果。

微帶天線具有重量輕、體積小、剖面低以及易集成于微波電路等優(yōu)點(diǎn),因此在移動(dòng)通信、電子導(dǎo)航、雷達(dá)信號(hào)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但由于微帶天線有帶寬窄和輻射增益低等缺點(diǎn),其帶寬一般只達(dá)到0.7%～7.0%,從而限制了微帶天線的應(yīng)用范圍[2]。如何拓展微帶天線的帶寬成為熱門(mén)的研究課題。研究者提出的拓展微帶天線帶寬的技術(shù)主要有:選擇介電常數(shù)εr較小的介質(zhì)基板;改變輻射貼片基本形狀;增加介質(zhì)基板的厚度,對(duì)輻射貼片開(kāi)槽開(kāi)縫;增加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò);增加寄生貼片或者采取電磁耦合饋電方式等[3]。

TANG M C等人[4]提出了一種印刷槽形天線,天線頂部是橢圓凹槽內(nèi)的寄生橢圓貼片,饋線放置在FR4介質(zhì)基板的底部,基片設(shè)計(jì)為橢圓音叉結(jié)構(gòu),帶寬為2.26～22.18 GHz。SINGHAL S等人[5]提出了一種緊湊共面波導(dǎo)饋電六邊形單極子天線。天線開(kāi)了5個(gè)方形槽,其中較大的一個(gè)方形槽在輻射貼片的正中間,整個(gè)天線結(jié)構(gòu)對(duì)稱,帶寬為3.4～37.4 GHz。RAHMAN M N等人[6]研究了一種由開(kāi)槽圓形輻射貼片和非對(duì)稱接地面組成的微帶寬帶共向微波饋電天線,帶寬為4.0～19.8 GHz。SAHA T K等人[7]提出了在饋線上開(kāi)矩形槽的帶寬增強(qiáng)天線,帶寬為4～40 GHz,但實(shí)際測(cè)量的頻率范圍只有4～20 GHz。ALDWAIRI M O等人[8]設(shè)計(jì)了4個(gè)不同開(kāi)槽形狀接地面的小型微帶天線,帶寬為3.1～35 GHz,采用剛性FR4材料作為介質(zhì)基板。

帶寬展寬技術(shù)的應(yīng)用對(duì)拓展微帶天線帶寬起到了良好的效果,但也存在一些不足。例如:增加介質(zhì)基板的厚度會(huì)使微帶天線的重量增加;采用特殊的輻射貼片形狀,增加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)或者增加寄生貼片會(huì)提高天線設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,從而增加天線制造的難度。本文提出了一種新型的寬帶毫米波MIMO天線,其天線單元為六邊形貼片,通過(guò)開(kāi)槽和切邊拓寬天線的帶寬。

1 寬帶毫米波MIMO天線單元結(jié)構(gòu)

本文提出的六邊形寬帶毫米波MIMO天線單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線單元尺寸為23.6×15.4×0.1 mm。該天線單元由底部的介質(zhì)基板覆蓋其上的金屬天線貼片以及金屬共面波導(dǎo)接地面組成。介質(zhì)基板采用LCP(liquid crystal polymer)材料。LCP材料的介電常數(shù)εr=2.9,介質(zhì)損耗角正切值tanδ=0.002,厚度h1=0.1 mm。輻射貼片的主體為六邊形結(jié)構(gòu)。為改變貼片上電流分布流向,提高阻抗匹配,在貼片的下部開(kāi)了一個(gè)倒凸形槽,并在貼片邊緣進(jìn)行了部分切除處理。為了改變共面接地面上電流傳輸方向,對(duì)共面接地平面作漸變處理,使其呈現(xiàn)為上窄下寬梯形結(jié)構(gòu)。天線單元的饋電方式選擇共面波導(dǎo)饋電形式,50 Ω饋線與貼片連接于六邊形貼片底邊的正中間。

圖1 寬帶毫米波天線單元結(jié)構(gòu)

圖1中各個(gè)變量為天線單元的結(jié)構(gòu)變量,通過(guò)HFSS軟件對(duì)該天線單元參數(shù)進(jìn)行仿真與優(yōu)化,其中,Lsub為介質(zhì)基板長(zhǎng)度,Wsub為介質(zhì)基板寬度,Wf為饋線寬度,t為其面波導(dǎo)間隙寬度,L01為凸型槽長(zhǎng)度,W01為凸型槽寬度。最后設(shè)計(jì)尺寸結(jié)果如表1所示。

表1 天線基本結(jié)構(gòu)尺寸 單位:mm

2 寬帶毫米波MIMO天線單元設(shè)計(jì)過(guò)程

設(shè)計(jì)過(guò)程分為3個(gè)主要步驟。

步驟1 設(shè)計(jì)出基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的天線單元,天線單元由輻射貼片、共面微帶饋線、共面接地面和底部的介質(zhì)基板組成。輻射貼片形狀選取為六邊形,底邊方向朝下。共面微帶饋線與貼片的連接點(diǎn)在六邊形底邊中點(diǎn)。該步驟下天線的仿真結(jié)果在5.1～41.8 GHz頻帶范圍內(nèi),回波損耗S11小于-10 dB標(biāo)準(zhǔn);在8.4～11.3 GHz,27.3～28.6 GHz條件下,回波損耗S11大于-10 dB。

步驟2 改變共面接地平面形狀,采用上窄下寬的漸變結(jié)構(gòu),共面接地面呈直角梯形形狀,改變電流傳輸方向,拓展頻帶帶寬并減小回波損耗。

步驟3 在輻射貼片上蝕刻倒“凸”型槽,改變貼片底部與微帶饋線連接處電流分布,減小回波損耗。在底部增加矩形結(jié)構(gòu),減小與共面接地面間距,增強(qiáng)諧振,進(jìn)一步減小回波損耗。另外,在輻射貼片兩邊的邊緣進(jìn)行部分切除處理,對(duì)回波損耗S11進(jìn)行微調(diào)。

具體設(shè)計(jì)步驟及相應(yīng)電流分布如圖2所示。

圖2 MIMO天線單元設(shè)計(jì)步驟及相應(yīng)電流分布

由圖2可以看到:步驟2中,共面接地面改為直角梯形后,電流傳輸方向改變,六邊形貼片上電流流向兩邊;步驟3中,開(kāi)槽后,貼片中電流分布變化更加明顯,偏向左右兩側(cè)。

寬帶天線單元設(shè)計(jì)過(guò)程中回波損耗S11參數(shù)曲線變化情況如圖3所示。

圖3 寬帶毫米波MIMO天線單元各步驟S11參數(shù)曲線

步驟1時(shí),天線單元的回波損耗S11參數(shù)曲線在5.1～41.8 GHz頻帶內(nèi),大部分回波損耗小于-10 dB;在8.4～11.3 GHz,27.3～28.6 GHz范圍內(nèi),回波損耗大于-10 dB。步驟2時(shí),天線單元的回波損耗S11參數(shù)曲線在8.4～11.3 GHz頻帶內(nèi),回波損耗小于-10 dB。步驟3時(shí),回波損耗S11參數(shù)曲線天線帶寬略微拓寬,在27.3～28.6 GHz頻帶內(nèi),回波損耗小于-10 dB。

3 MIMO天線仿真結(jié)果與分析

將2個(gè)天線單元橫向并列擺放,組成1個(gè)二元MIMO天線。二元寬帶毫米波MIMO天線結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 二元寬帶毫米波MIMO天線結(jié)構(gòu)

通過(guò)HFSS仿真軟件對(duì)MIMO天線進(jìn)行仿真,其S參數(shù)仿真結(jié)果如圖5所示。矩形線表示仿真的回波損耗S11參數(shù)曲線,圓形連線表示仿真的S12參數(shù)曲線。由圖5可以看出,MIMO天線仿真的回波損耗S11參數(shù)小于-10 dB時(shí),天線的工作頻率為5.1～41.8 GHz,相對(duì)帶寬(即信號(hào)帶寬與中心頻率之比)為156.5%。同時(shí),在5.1～41.8 GHz頻帶范圍內(nèi),S12參數(shù)曲線的最大值為-21.8 dB,整體小于-20 dB,可以滿足MIMO天線隔離度小于-15 dB的規(guī)格要求。

圖5 寬帶毫米波MIMO天線S參數(shù)曲線

圖6為MIMO天線仿真的增益-頻率曲線。選取φ=0°平面為增益取值面,可以看到,在5.1～41.8 GHz頻率范圍內(nèi),增益最小值為1.55 dB,最大值為4.01 dB。

圖6 寬帶毫米波MIMO天線增益-頻率曲線

圖7為MIMO天線不同頻率遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖,是在端口1輸入信號(hào)且端口2匹配時(shí)的仿真結(jié)果。在MIMO天線正常工作頻率范圍內(nèi),分別仿真了頻點(diǎn)6.5 GHz,15.8 GHz,34.6 GHz的E面和H面輻射方向圖。

圖7 寬帶毫米波MIMO天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖

對(duì)于H面(θ=90°),MIMO天線在低、中、高3個(gè)頻點(diǎn)的方向圖都為圓形,其中高頻點(diǎn)略有變形,但都具有良好的全向輻射特性;對(duì)于E面(φ=90°),在低頻點(diǎn)6.5 GHz處,MIMO天線的方向圖形為“8”字型,在中高頻點(diǎn)的方向圖有些許變形,但都具有一定的方向性。由此可知,MIMO天線的E面、H面方向圖與單極子天線輻射方向一致,具有良好的輻射特性,符合超寬帶(Ultra Wide Band,UWB)天線輻射方向規(guī)定的要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種新型六邊形寬帶毫米波MIMO天線。天線工作帶寬為5.1～41.8 GHz。通過(guò)優(yōu)化調(diào)節(jié)六邊形尺寸,對(duì)共面波導(dǎo)接地面采取漸變處理,并在天線貼片上挖倒“凸”字型槽,使得天線帶寬變寬,使其在5.1～41.8 GHz范圍內(nèi)回波損耗均小于-10 dB,天線的隔離度整體小于-20 dB。方向圖呈現(xiàn)良好的輻射特性,說(shuō)明該天線在毫米波通信中具有良好的應(yīng)用前景。