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一種應(yīng)用于5G物聯(lián)網(wǎng)的八端口高隔離二元寬帶MIMO天線

2022-06-21 11:27丁志清王三山
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2022年6期
關(guān)鍵詞:隔離度饋電雙饋

丁志清,王三山

(遵義職業(yè)技術(shù)學(xué)院,貴州 遵義 563006)

0 引 言

5G時(shí)代,物聯(lián)網(wǎng)(IoT)在自動(dòng)化、智能供應(yīng)鏈和運(yùn)輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控和物流等領(lǐng)域迅速發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)意味著傳感器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)后可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。截至2021年,全世界已超過(guò)500億臺(tái)設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)。

1 5G-IoT應(yīng)用

以物聯(lián)網(wǎng)(loT)為中心的概念,如虛擬現(xiàn)實(shí)、高分辨率視頻流、自動(dòng)駕駛汽車、智能環(huán)境、電子醫(yī)療等無(wú)處不在,這些應(yīng)用需要高數(shù)據(jù)速率、大帶寬、高容量、低延遲和高吞吐量支撐。

1.1 5G規(guī)劃頻段

2020年是5G網(wǎng)絡(luò)商用元年,按照中信部文件,中國(guó)移動(dòng)獲得了2 515~2 675 MHz和4 800~4 900 MHz兩個(gè)5G頻段,頻段號(hào)分別為n41和n79。中國(guó)電信獲得了3 400~3 500Hz的頻段,頻段號(hào)為n78,中國(guó)聯(lián)通獲得了3 500~3 600 MHz的頻段,頻段號(hào)也是n78,而國(guó)外的5G標(biāo)準(zhǔn)也各有差異。

1.2 5G-IoT天線挑戰(zhàn)

第五代(5G)蜂窩網(wǎng)絡(luò)為loT技術(shù)的部署提供了關(guān)鍵的使能技術(shù)。其中,多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)天線作為收發(fā)的重要組成部分,可以在有限的功率水平內(nèi)實(shí)現(xiàn)多路傳輸,從而提高效率。但多天線系統(tǒng)無(wú)法避免天線單元之間的相互耦合,耦合程度越高,MIMO天線整體效率越低,這也對(duì)天線的隔離度提出了新的挑戰(zhàn)。

基于此,本文提出了一種應(yīng)用于5G物聯(lián)網(wǎng)的八端口高隔離二元寬帶MIMO天線陣列。該天線陣列由4個(gè)空間正交的二元PIFA天線對(duì)組成,兩兩處于同一平面內(nèi)。天線結(jié)構(gòu)包括4個(gè)二元雙饋的平面倒F天線(PIFA)對(duì),其中,1個(gè)二元雙饋PIFA對(duì)包括A型和B型2個(gè)天線單元。每個(gè)二元雙饋PIFA都有2個(gè)饋電板,饋電板彼此以正確的角度放置,使其交叉極化,同一平面的空間分集將2個(gè)二元雙饋PIFA對(duì)通過(guò)對(duì)角線定位在天線結(jié)構(gòu)的相對(duì)兩側(cè)。為減少相互耦合,在每個(gè)單元頂板下的接地面每一側(cè)刻蝕矩形槽,以阻止同一天線單元2個(gè)端口間的電流流動(dòng);處于不同平面的天線單元采用正交布局形式實(shí)現(xiàn)空間分集,增強(qiáng)MIMO天線系統(tǒng)隔離度。

2 MIMO天線設(shè)計(jì)

本文提出了一種應(yīng)用于5G物聯(lián)網(wǎng)的八端口高隔離二元寬帶MIMO天線,采用MIMO天線可以在帶寬不變的情況下極大地增加信道容量,采用極化分集和空間分集解耦方式降低天線耦合度,提高M(jìn)IMO天線系統(tǒng)隔離度。

2.1 天線結(jié)構(gòu)

如圖1所示,4個(gè)二元雙饋PIFA對(duì)放置在2塊空間正交的介質(zhì)基板上,每塊介質(zhì)基板的尺寸為150 mm×50 mm×1.5 mm,材料為FR4,其背面印有系統(tǒng)地板。兩基板天線結(jié)構(gòu)、布局基本相同,存在部分尺寸差異。

圖1 天線整體結(jié)構(gòu)

同一介質(zhì)基板上布局2個(gè)二元雙饋天線對(duì),即4個(gè)天線單元。2個(gè)二元雙饋天線對(duì)位于介質(zhì)基板對(duì)角線的兩端,形成空間分集。兩塊介質(zhì)基板呈正交形態(tài),以此達(dá)到正交極化,實(shí)現(xiàn)不同基板天線對(duì)之間的空間和極化分集,提高天線整列隔離度。

圖2為天線詳細(xì)結(jié)構(gòu),每個(gè)天線對(duì)都有2個(gè)矩形饋電板、1個(gè)矩形短路板和1塊矩形輻射片。輻射板位于介質(zhì)基板上方,2饋電板采用同軸饋電方式,短路板直接連接系統(tǒng)地板。

圖2 天線詳細(xì)結(jié)構(gòu)

在每個(gè)天線對(duì)中,短路板位于輻射片對(duì)角處,用于短接輻射片與系統(tǒng)地板;兩饋電板彼此分別在輻射片長(zhǎng)邊和短邊下方饋電,在正確的角度放置,激勵(lì)同一塊輻射片,使其交叉極化,同時(shí)達(dá)到覆蓋多頻帶的目的。在對(duì)輻射片短邊處饋電所形成的天線為A型天線,在長(zhǎng)邊處饋電的為B型天線。

由于每個(gè)二元雙饋天線對(duì)的同一輻射單元下的2個(gè)端口彼此放置得非常近,因此需要使用隔離技術(shù)來(lái)減少2個(gè)端口之間的相互耦合。為此,在每個(gè)PIFA對(duì)輻射片下方的接地上開槽。這些蝕刻槽減少了同一PIFA天線對(duì)2個(gè)饋源通過(guò)接地平面的電流,從而減少了它們之間的相互耦合,提高了天線隔離度。此外,每個(gè)二元雙饋天線對(duì)的B型天線同軸饋電附近開有一個(gè)倒L型槽,以擴(kuò)寬B型天線帶寬,同時(shí)增強(qiáng)2天線對(duì)之間的隔離度。

本結(jié)構(gòu)采用二元雙饋方式和倒L型槽拓寬頻帶,MIMO天線工作在2 100~3 700 MHz和4 100~5 800 MHz頻段,可以支持覆蓋國(guó)內(nèi)外大部分5G-IoT應(yīng)用,通過(guò)極化和空間分集降低天線單元之間的耦合度,提高天線隔離度,使得天線阻抗達(dá)到良好效果。在工作頻段內(nèi),所有天線回波損耗均小于-10 dB,同時(shí)隔離度優(yōu)于-11.12 dB。

2.2 天線性能

本文采用CST三維電磁場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行天線仿真,詳細(xì)驗(yàn)證了各單元回波損耗、隔離度、總效率、輻射方向圖和端口之間的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(Envelope Correlation Coefficient,ECC)。

2.2.1 回波損耗

圖3為各天線回波損耗仿真結(jié)果。其中,處于輻射片短邊處饋電所形成的A型天線(端口1、端口3、端口5和端口7)回波損耗如圖3(a)所示,B型天線回波損耗(端口2、端口4、端口6和端口8)如圖3(b)所示。從結(jié)果可以看出,A型天線工作頻段在3 000~3 700 MHz和4 100~5 800 MHz時(shí)阻抗匹配良好,回?fù)軗p耗均小于-10 dB;B型天線工作頻段在2 100~3 400 MHz時(shí)同樣具有極佳的阻抗匹配。因此,所設(shè)計(jì)的MIMO天線整體工作頻段在2 100~3 700 MHz和4 100~5 800 MHz時(shí),可支持國(guó)內(nèi)外大部分5G-IoT應(yīng)用。

圖3 天線回波損耗

2.2.2 隔離度

為檢驗(yàn)不同端口間的耦合度,圖4給出了各天線的隔離度結(jié)果。從圖中可以看出,(端口2與端口1之間的隔離度)和具有良好的隔離性能,這是由于在每個(gè)PIFA對(duì)的輻射片下方的接地上開了槽,蝕刻槽減少了同一PIFA天線對(duì)2個(gè)饋源通過(guò)接地平面的電流,從而減少了它們之間的耦合,提高了天線隔離度;另外,兩介質(zhì)基板的垂直分布,使得垂直面相鄰天線對(duì)正交布局,具有極化分集優(yōu)勢(shì),因此與在工作頻段上同樣能夠獲得良好的隔離性能,最小隔離度為11.12 dB。

圖4 天線隔離度

2.2.3 天線輻射特性

為驗(yàn)證天線輻射特性,下文對(duì)輻射效率和輻射方向圖進(jìn)行了仿真評(píng)估。如圖5(a)所示,A型天線工作頻段內(nèi)輻射總效率為65.3%~84.5%。其中,在低頻段(3 000~3 700 MHz)的最低效率為65.3%,最高效率為82.1%,平均效率為71.7%;在高頻段(4 100~5 800 MHz)的最低效率為70.6%,最高效率為84.5%,平均效率為80.1%。

圖5 天線總效率

圖5(b)給出了B型天線的輻射總效率。從圖中可以看出,在對(duì)應(yīng)工作頻段內(nèi)(2 100~3 400 MHz)輻射總效率為67.1%~82.2%,平均效率為75.7%。天線輻射總效率和圖3的回波損耗仿真結(jié)果相互驗(yàn)證了該八端口高隔離二元MIMO天線良好的輻射特性。

圖6為4個(gè)二元雙饋天線對(duì)中A型天線1以及B型天線2的輻射方向圖。從圖中可以清楚地看出A/B型天線具有互補(bǔ)的輻射圖,這種模式的多樣性是由于天線單元布局和饋電設(shè)計(jì)不同,從而產(chǎn)生了不同的輻射模式,證明了分集的存在,可獲得分集增益。

圖6 天線輻射方向圖

2.2.4 MIMO特性

由于所提出的八端口高隔離二元寬帶天線工作于MIMO,因此需要計(jì)算相應(yīng)ECC來(lái)評(píng)估其MIMO性能。圖7給出了根據(jù)MIMO天線參數(shù)所計(jì)算出的ECC結(jié)果,用于描述MIMO系統(tǒng)中通信信道的相互隔離或相關(guān)程度。

圖7 包絡(luò)相關(guān)系數(shù)

結(jié)果表明,計(jì)算得出的ECC值均小于0.09,均優(yōu)于“小于0.5”的可接受準(zhǔn)則,因此所提出的天線具有較好的MIMO性能。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種應(yīng)用于5G物聯(lián)網(wǎng)的八端口高隔離二元寬帶MIMO天線。8個(gè)端口利用極化和空間分集來(lái)獲得分集增益。采用地板蝕刻槽解耦技術(shù)減小相鄰天線端口之間的電流流動(dòng),提高隔離性能,采用二元雙饋方式和倒L型槽拓寬頻帶。在工作頻段內(nèi),所有天線回波損耗均小于-10 dB,同時(shí)隔離度優(yōu)于-11.12 dB。天線效率為65.3%~84.5%,天線單元間的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(ECC)低于0.09。以上結(jié)果驗(yàn)證了所提出的MIMO天線適用于國(guó)內(nèi)外大部分5G-IoT應(yīng)用。

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