留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

具有高隔离度的双陷波超宽带多入多出天线

王丽黎 杜忠红 杨海龙 韩雪妮 席晓莉

王丽黎, 杜忠红, 杨海龙, 等. 具有高隔离度的双陷波超宽带多入多出天线[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 063007. doi: 10.11884/HPLPB202032.190443
引用本文: 王丽黎, 杜忠红, 杨海龙, 等. 具有高隔离度的双陷波超宽带多入多出天线[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 063007. doi: 10.11884/HPLPB202032.190443
Wang Lili, Du Zhonghong, Yang Hailong, et al. Dual band-notch ultra-wideband multiple-input multiple-output antenna with high isolation[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 063007. doi: 10.11884/HPLPB202032.190443
Citation: Wang Lili, Du Zhonghong, Yang Hailong, et al. Dual band-notch ultra-wideband multiple-input multiple-output antenna with high isolation[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 063007. doi: 10.11884/HPLPB202032.190443

具有高隔离度的双陷波超宽带多入多出天线

doi: 10.11884/HPLPB202032.190443
基金项目: 国防预研基金项目(6140450010302);西安市科技计划项目(2017080GG/RC043(XALG014)
详细信息
    作者简介:

    王丽黎(1968—),女,副教授,硕士生导师,从事天线与电波传播、先进导航技术研究;wanglili@xaut.edu.cn

  • 中图分类号: TN822+.8

Dual band-notch ultra-wideband multiple-input multiple-output antenna with high isolation

  • 摘要: 提出了一款具有高隔离度的双陷波超宽带多入多出(UWB MIMO)天线。该天线由两个相同的半切超宽带天线单元倒置构成。通过在天线底板刻蚀栅栏型缺陷地解耦结构,使该MIMO天线的隔离度提高至25 dB。此外,在天线半圆形辐射贴片上刻蚀两个方向相反的“L”型缝隙,实现了双陷波的功能,分别抑制了802.16无线城域网WiMAX(3.2~3.7 GHz)和WLAN(5.15~5.85 GHz)信号对天线系统的干扰。实验结果表明,该天线在3~11 GHz工作带宽内的隔离度大于25 dB,包络相关系数(ECC)小于0.004;第一个陷波频段为3.0~3.7 GHz,第二个陷波频段为5.1~5.85 GHz,有效抑制了WiMAX和WLAN的信号干扰。
  • 图  1  UWB MIMO天线的几何形状

    Figure  1.  Geometry of the proposed UWB MIMO antenna

    图  2  原始天线和半切天线的几何结构以及S11

    Figure  2.  Schematics and S11 parameter of original antenna and half-cutting antenna

    图  3  有无解耦结构的隔离度对比

    Figure  3.  Comparison of isolation with or without decoupling structure

    图  4  不同缝隙数量对天线隔离度的影响

    Figure  4.  Influence of different numbers of slits on antenna isolation

    图  5  7.5 GHz时天线有无解耦结构的电流分布

    Figure  5.  Current distribution of antenna with or without decoupling structure at 7.5 GHz

    图  6  双陷波UWB MIMO天线的S11

    Figure  6.  S11 of the proposed two band-notched UWB MIMO antenna

    图  7  双陷波超宽带MIMO天线的的表面电流分布

    Figure  7.  Surface current distribution of double-notch UWB MIMO antenna

    图  8  天线仿真和测试的S参数

    Figure  8.  Measured and simulated S-parameters of the antenna

    图  9  超宽带MIMO天线的方向图

    Figure  9.  Radiation patterns of the proposed UWB MIMO antenna

    图  10  天线的增益和效率

    Figure  10.  Gain and efficiency of the proposed antenna

    图  11  MIMO天线的相关系数

    Figure  11.  ECC of the proposed MIMO antenna

    表  1  天线的几何尺寸

    Table  1.   Antenna geometry

    L1/mmL2/mmL3/mmL4/mmL5/mmL6/mmW1/mmW2/mmW3/mmW4/mmR1/mmR2/mm
    6.5 5.0 5.1 0.1 12.5 17.25 6.0 3.3 1.5 0.2 9.5 15
    下载: 导出CSV

    表  2  本文提出的超宽带MIMO天线与之前报道天线的性能比较

    Table  2.   Performance comparison between the proposed UWB-MIMO antenna and other recently reported antennas

    paperantenna sizebandwidth/GHznotched-bands/GHzisolation/dBECC
    Ref. [7]32.4 mm×58.4 mm2.44~10.753.01~4.00, 5.20~5.86>22<0.015
    Ref. [8]73 mm×73 mm3.00~18.003.30~3.80, 5.10~5.80>20<0.001 5
    Ref. [10]33 mm×35 mm3.10~5.00>22
    Ref. [12]28 mm×50 mm2.80~11.503.30~3.90>18<0.000 3
    Ref. [15]58 mm×58 mm3.00~13.503.20~3.80, 5.20~5.80>22<0.008
    Ref. [16]48 mm×80 mm3.10~10.60>25
    this paper35 mm×50 mm3.00~11.003.10~3.70, 5.15~5.85>25<0.004
    下载: 导出CSV
  • [1] Kaiser F Z T. Ultra-wideband systems with MIMO[M]. Hoboken: Wiley, 2010.
    [2] Oppermann I, Hamalainen M, Iinatti J. UWB theory and applications[M]. New York: Wiley, 2004: 3-4.
    [3] Wei Kunpeng, Zhang Zhijun, Chen Wenhua, et al. A novel hybrid-fed patch antenna with pattern diversity[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2010, 9: 562-565. doi:  10.1109/LAWP.2010.2051402
    [4] Kaiser T, Feng Zheng, Dimitrov E. An overview of ultra-wideband systems with MIMO[J]. Proceedings of the IEEE, 2009, 97(2): 285-312. doi:  10.1109/JPROC.2008.2008784
    [5] Balanis C A. Antenna theory: Analysis and design[M]. 2nd. New York: John Wiley & Sons, 1996.
    [6] 娄树勇, 高海涛, 许会芳. 共面波导馈电的三陷波超宽带天线的设计[J]. 压电与声光, 2019, 41(1):167-170. (Lou Shuyong, Gao Haitao, Xu Huifang. Design of a CPW fed UWB antenna with triple-band notch[J]. Piezoelectric & Acoustooptics, 2019, 41(1): 167-170
    [7] 杜成珠, 马天驰, 焦哲晶. 一种高隔离度的双阻带超宽带MIMO天线设计[J]. 电子元件与材料, 2019(9):71-76. (Du Chengzhu, Ma Tianchi, Jiao Zhejing. Design of a high isolation dual band-notched UWB-MIMO antenna[J]. Electronic Components and Materials, 2019(9): 71-76
    [8] Eltrass A S, Elborae A N. New design of UWB-MIMO antenna with enhanced isolation and dual-band rejection for WiMAX and WLAN systems[J]. IET Microwaves, Antennas & Propagation, 2019, 13(5): 683-691.
    [9] Tiwari R N, Singh P, Kanaujia B K. A compact UWB MIMO antenna with neutralization line for WLAN/ISM/mobile applications[J]. International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, 2019, 29(11): 1-9.
    [10] Zhang Shui, Pedersen G F. Mutual coupling reduction for UWB MIMO antennas with a wideband neutralization line[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2016, 15: 166-169. doi:  10.1109/LAWP.2015.2435992
    [11] Devana V N K R, Rao A M. Compact UWB monopole antenna with quadruple band notched characteristics[J]. International Journal of Electronics, 2019(3).
    [12] Ibrahim, A A, Machac J, Shubair R M. Compact UWB MIMO antenna with pattern diversity and band rejection characteristics[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2017, 59(6): 1460-1464. doi:  10.1002/mop.30564
    [13] Banerjee J, Karmakar A, Ghatak R, et al. Compact CPW-fed UWB MIMO antenna with a novel modified Minkowski fractal defected ground structure (DGS) for high isolation and triple band-notch characteristic[J]. Journal of Electromagnetic Waves and Applications, 2017, 31(15): 1550-1565. doi:  10.1080/09205071.2017.1354727
    [14] Chu Qingxin, Wu Yuting. Dual-band multiple input multiple output antenna with slitted ground[J]. IET Microwaves, Antennas & Propagation, 2014, 8(13): 1007-1013.
    [15] Raheja D K, Kanaujia B K, Kumar S. Compact four-port MIMO antenna on slotted-edge substrate with dual-band rejection characteristics[J]. International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, 2019: e21756.
    [16] Gogosh N, Shafique M F, Saleem R, et al. An UWB diversity antenna array with a novel H-type decoupling structure[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2013, 55(11): 2715-2720. doi:  10.1002/mop.27941
    [17] Sun Mei, Zhang Yueping, Lu Yilong. Miniaturization of planar monopole antenna for ultrawideband radios[J]. IEEE Trans Antennas and Propagation, 2010, 58(7): 2420-2425. doi:  10.1109/TAP.2010.2048851
    [18] Wu Ling, Xia Yingqing, Cao Xia, et al. A miniaturized UWB-MIMO antenna with quadruple band-notched characteristics[J]. International Journal of Microwave and Wireless Technologies, 2018, 10(8): 948-955. doi:  10.1017/S1759078718000508
    [19] Mobashsher A T, Abbosh A. Utilizing symmetry of planar ultra-wideband antennas for size reduction and enhanced performance[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2015, 57(2): 153-166. doi:  10.1109/MAP.2015.2414488
    [20] Liu Jianjun, Esselle K. Hay P S G, et al. Effects of printed UWB antenna miniaturization on pulse fidelity and pattern stability[J]. IEEE Trans Antennas and Propagation, 2014, 62(8): 3903-3910. doi:  10.1109/TAP.2014.2322885
    [21] Khan M S, Capobianco A, Najam A I, et al. Compact ultra-wideband diversity antenna with a floating parasitic digitated decoupling structure[J]. IET Microwaves, Antennas & Propagation, 2014, 8(10): 747-753.
  • [1] 李雪萍, 闫静, 周永一, 张瑜.  电阻加载半椭圆偶极子天线的设计与研究 . 强激光与粒子束, 2017, 29(02): 023202-. doi: 10.11884/HPLPB201729.160476
    [2] 陈海燕, 熊祥正, 陈凯亚, 廖成.  脉冲天线阵列时域辐射场快速计算的简化方法 . 强激光与粒子束, 2016, 28(08): 085003-. doi: 10.11884/HPLPB201628.151295
    [3] 石一平, 易超龙, 樊亚军, 夏文锋, 关锦清, 张兴家, 罗晓东.  TEM喇叭馈源与共面馈源脉冲辐射天线性能比较 . 强激光与粒子束, 2016, 28(08): 083001-. doi: 10.11884/HPLPB201628.151271
    [4] 易超龙, 樊亚军, 石磊, 朱郁丰, 夏文锋, 石一平, 卢彦雷, 乔汉青, 张兴家.  高功率超宽带馈源设计与实验 . 强激光与粒子束, 2016, 28(03): 033001-. doi: 10.11884/HPLPB201628.033001
    [5] 易超龙, 樊亚军, 石磊, 朱四桃, 朱郁丰, 夏文锋, 石一平.  切比雪夫渐变线TEM喇叭天线数值模拟 . 强激光与粒子束, 2014, 26(03): 033003-. doi: 10.3788/HPLPB201426.033003
    [6] 易超龙, 朱四桃, 樊亚军, 石一平, 卢彦雷, 夏文锋, 袁雪林, 乔汉青.  超宽带匹配馈电结构的设计与实验 . 强激光与粒子束, 2014, 26(01): 013003-. doi: 10.3788/HPLPB201426.013003
    [7] 易超龙, 樊亚军, 丁臻捷, 袁雪林, 朱四桃, 卢彦雷, 夏文锋, 石一平.  高辐射效率超宽谱脉冲辐射天线的设计与实验 . 强激光与粒子束, 2014, 26(02): 023001-. doi: 10.3788/HPLPB201426.023001
    [8] 冯菊, 廖成, 刘雪明, 张扬, 邵浩.  阵馈抛物柱面天线合成超宽带高功率微波 . 强激光与粒子束, 2014, 26(01): 013005-. doi: 10.3788/HPLPB201426.013005
    [9] 许唐红, 张弘, 王东, 朱海涛, 兰敏.  高增益宽带圆极化Vivaldi天线阵的设计 . 强激光与粒子束, 2013, 25(03): 685-688. doi: 10.3788/HPLPB20132503.0685
    [10] 燕有杰, 蒋廷勇, 刘小龙, 李鹏辉, 陈锦.  镜面单锥结构超宽谱短脉冲电场标准装置 . 强激光与粒子束, 2012, 24(12): 2873-2876. doi: 10.3788/HPLPB20122412.2873
    [11] 张明, 耿友林.  具有双陷波特性的超宽带天线设计 . 强激光与粒子束, 2012, 24(01): 167-170.
    [12] 耿利飞, 魏光辉, 潘晓东, 付立, 朱艮春.  某型通信电台超宽带辐照效应 . 强激光与粒子束, 2011, 23(12): 42-43.
    [13] 谢平, 廖勇, 杨周炳, 陈志刚, 陆巍.  超宽带高功率同轴旋转关节 . 强激光与粒子束, 2011, 23(11): 0- .
    [14] 袁雪林, 丁臻捷, 俞建国, 浩庆松, 曾搏, 胡龙.  基于雪崩管Marx电路的高稳定度脉冲技术 . 强激光与粒子束, 2010, 22(04): 0- .
    [15] 张现福, 丁恩燕, 陆巍, 陈志刚, 杨周炳, 刘天文.  高功率超宽带双极脉冲产生技术 . 强激光与粒子束, 2010, 22(03): 0- .
    [16] 吴锋涛, 张光甫, 梁步阁, 袁乃昌.  同轴高功率超宽带功分器研究 . 强激光与粒子束, 2006, 18(07): 0- .
    [17] 朱四桃, 朱柏承, 樊亚军.  TEM喇叭超宽带接收特性分析 . 强激光与粒子束, 2005, 17(08): 0- .
    [18] 杨周炳, 孟凡宝, 马弘舸, 谢敏, 陆巍, 陈志刚, 冯宗明, 廖勇.  高功率超宽带脉冲辐射实验装置研制 . 强激光与粒子束, 2005, 17(08): 0- .
    [19] 樊亚军, 石磊, 刘国治, 汪文秉, 周金山, 刘峰, 朱郁丰.  Chopping-peaking开关形成高功率超宽带双极脉冲的实验研究 . 强激光与粒子束, 2004, 16(04): 0- .
    [20] 王建国, 田春明, 刘小龙, 葛德彪.  超宽带TEM天线的数值模拟 . 强激光与粒子束, 2001, 13(04): 0- .
  • 加载中
图(11) / 表 (2)
计量
  • 文章访问数:  119
  • HTML全文浏览量:  124
  • PDF下载量:  21
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-02
  • 修回日期:  2020-03-16
  • 网络出版日期:  2020-06-03
  • 刊出日期:  2020-05-12

具有高隔离度的双陷波超宽带多入多出天线

doi: 10.11884/HPLPB202032.190443
    基金项目:  国防预研基金项目(6140450010302);西安市科技计划项目(2017080GG/RC043(XALG014)
    作者简介:

    王丽黎(1968—),女,副教授,硕士生导师,从事天线与电波传播、先进导航技术研究;wanglili@xaut.edu.cn

  • 中图分类号: TN822+.8

摘要: 提出了一款具有高隔离度的双陷波超宽带多入多出(UWB MIMO)天线。该天线由两个相同的半切超宽带天线单元倒置构成。通过在天线底板刻蚀栅栏型缺陷地解耦结构,使该MIMO天线的隔离度提高至25 dB。此外,在天线半圆形辐射贴片上刻蚀两个方向相反的“L”型缝隙,实现了双陷波的功能,分别抑制了802.16无线城域网WiMAX(3.2~3.7 GHz)和WLAN(5.15~5.85 GHz)信号对天线系统的干扰。实验结果表明,该天线在3~11 GHz工作带宽内的隔离度大于25 dB,包络相关系数(ECC)小于0.004;第一个陷波频段为3.0~3.7 GHz,第二个陷波频段为5.1~5.85 GHz,有效抑制了WiMAX和WLAN的信号干扰。

English Abstract

王丽黎, 杜忠红, 杨海龙, 等. 具有高隔离度的双陷波超宽带多入多出天线[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 063007. doi: 10.11884/HPLPB202032.190443
引用本文: 王丽黎, 杜忠红, 杨海龙, 等. 具有高隔离度的双陷波超宽带多入多出天线[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 063007. doi: 10.11884/HPLPB202032.190443
Wang Lili, Du Zhonghong, Yang Hailong, et al. Dual band-notch ultra-wideband multiple-input multiple-output antenna with high isolation[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 063007. doi: 10.11884/HPLPB202032.190443
Citation: Wang Lili, Du Zhonghong, Yang Hailong, et al. Dual band-notch ultra-wideband multiple-input multiple-output antenna with high isolation[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 063007. doi: 10.11884/HPLPB202032.190443
  • 自2002年美国联邦通信委员会(FCC)批准3.1~10.6 GHz用于低功耗传输以来,超宽带(UWB)技术因其具有传输速率高、安全性高、功耗低等优点,得到了广泛的研究[1]。但是,该带宽内的辐射功率水平非常低(小于−41.3 dBm/MHz)[2],这导致超宽带系统在多径环境中的信号衰落非常严重,影响了超宽带系统的性能。多输入多输出(MIMO)技术在发送端和接收端分别设置多个发射和接收天线,利用无线通信系统的多径效应提高链路性能[3-4]。由于系统采用多天线,因此需要保持天线间低耦合。然而,在便携式设备可用的小空间内安装多个天线元件必然会导致相互耦合,严重降低其分集性能。因此,在便携式设备中使用MIMO系统的主要挑战之一是设计具有较低互耦的小型化MIMO天线[5]。此外,随着各种通信协议的不断增加,频谱资源也日益紧张,比如在超宽带频段内还存在其他如802.16无线城域网WiMAX(3.3~3.7 GHz),IEEE802.11a无线局域网WLAN(5.15~5.35 GHz,5.725~5.825 GHz)等窄带通信频段,为避免宽带系统与窄带通信的干扰,一种常规方法是在天线之前增加带阻滤波器,但这样会增大设备体积[6]。综上所述,设计一款具有带阻特性的超宽带MIMO天线在无线通信系统中具有一定的应用前景。

    近年来,大量文献已经报道了各类消除UWB MIMO天线之间相互耦合和抑制多波段干扰的技术[7-16]。文献[7]中,杜成珠等人提出了一款尺寸为32.4 mm×58.4 mm的UWB MIMO天线,加载“T”型地板隔离枝节使得天线单元间的隔离度大于22 dB,通过在辐射贴片上刻蚀两个“U”型槽实现了双阻带特性;文献[8]设计了一款四单元双陷波UWB MIMO天线,利用正交分集技术实现MIMO天线间隔离度大于20 dB的目标,此外,分别在辐射贴片刻蚀“C”型槽和在微带馈线旁加载一对“U”形寄生结构来抑制WiMAX和WLAN波段的干扰;文献[9-10]提出了利用中和线技术减少天线互耦(S21<−22 dB)的方法;文献[11]提出了一款紧凑的四陷波超宽带天线,通过利用两个倒置的“U”型槽,一个对称的开口谐振环和一个通孔结构,分别抑制了WiMAX波段、C波段、WLAN波段和X波段的干扰,实现天线的四陷波功能。

    本文提出了一种使用栅栏型缺陷地结构来提高隔离度的双陷波超宽带MIMO天线。栅栏型解耦结构主要由许多尺寸相同的缝隙组成。多个狭缝相当于一个带阻滤波器,可以有效地减弱端口间的耦合电流。此外,将连接到这些狭缝的微带线分为三段,用于增加耦合电流的路径,减小天线的互耦。在天线半圆形辐射贴片上刻蚀两个方向相反的“L”型沟槽,实现了双陷波的功能,分别抑制了无线城域网WiMAX(3.2~3.7 GHz)和WLAN(5.15~5.825 GHz)信号对该天线系统的干扰。最后,为了验证仿真结果的可靠性,对天线模型进行了加工和测试。测试结果表明,MIMO天线具有较高的隔离度(S21>25 dB)和较低的包络相关系数(<0.004)。此外,该天线工作带宽更宽(3~11 GHz,114%),增益稳定,尺寸较小。

    • 最终设计的UWB MIMO天线几何结构和实物图如图1所示。该天线印刷在厚度h为1 mm、相对介电常数εr为4.4的FR-4基板上。天线由介质基板、基板顶部半切的圆形辐射贴片和底部的栅栏式解耦结构组成。在本节中,我们将讨论整个天线的设计过程,包括单个超宽带天线单元、天线的解耦结构和天线的陷波结构设计。

      图  1  UWB MIMO天线的几何形状

      Figure 1.  Geometry of the proposed UWB MIMO antenna

    • 图2为单个超宽带天线的演变过程。据相关文献所知,为了确保天线方向图的全向性和对称性,大多数超宽带天线被设计的具有对称性[17-18],这种设计导致天线尺寸普遍较大。因此,为了易于与无线通信系统集成且方便携带,要求通信系统的各个模块尺寸较小,文献[19-20]报道了许多天线小型化的方法。在本文中,应用半切技术来减小UWB天线的尺寸。如图2(a)所示,半切后UWB天线的尺寸为35 mm×25 mm,与原始UWB天线相比,天线的尺寸减小了50%。与此同时,从图2(b)中可以看出,半切前后该UWB天线的S参数在4.5~6.5 GHz变化较大,但这为后面实现WLAN频段陷波奠定了基础。

      图  2  原始天线和半切天线的几何结构以及S11

      Figure 2.  Schematics and S11 parameter of original antenna and half-cutting antenna

    • 为了克服超宽带系统的多径效应,将两个半切超宽带天线倒置放置以获得原始UWB MIMO天线(Ant_A)。由图3(b)可以看出,没有应用任何去耦结构时Ant_A的隔离度约为14 dB,这并不满足UWB MIMO天线的应用需求和本文对高隔离度的要求。因此,在图3(a)(Ant_B)中,设计了一个由16个狭缝组成的栅栏型解耦结构,它可以延长天线的地板电流路径,使得该UWB MIMO天线在超宽带频带内的隔离度大于25 dB。图3(b)清楚地表明,与Ant_A相比,Ant_B的隔离度得到了明显的改善。从电路的角度看,该狭缝结构可以等效为一个带阻滤波器,其在超宽带频带中显示出良好的带阻滤波特性。综上所述,说明栅栏型解耦结构可以有效抑制MIMO天线因地面波引起的天线单元之间的相互耦合。

      图  3  有无解耦结构的隔离度对比

      Figure 3.  Comparison of isolation with or without decoupling structure

      由于栅栏型解耦结构在改善MIMO天线的隔离方面起着非常关键的作用。因此,有必要讨论栅栏结构的参数对天线性能的影响。在本文中,比较了不同数量的狭缝对所提出天线隔离特性的影响。固定天线的几何尺寸(50 mm×35 mm)和其他参数,只变化缝隙的数量,仿真分析狭缝的数量分别为4,10,16,18时MIMO天线隔离度的变化,如图4所示,随着狭缝数量的增加,天线的隔离度在整个工作带宽范围内逐渐增强,特别是在4.3~7.0 GHz带宽范围内。当缝隙数为16时,该天线的隔离度在工作带宽内大于25 dB。随着缝隙数的增加,天线单元之间的电长度逐渐增大,从而减小了MIMO天线的互耦。当狭缝数大于16时,受天线尺寸的影响,单个超宽带天线的阻抗匹配发生变化。因此,选择的地面缝隙数为16,满足MIMO天线高隔离和紧凑尺寸的要求。

      图  4  不同缝隙数量对天线隔离度的影响

      Figure 4.  Influence of different numbers of slits on antenna isolation

      为了更直观地理解天线的工作机理,如图5所示,给出了Ant_A和Ant_B在7.5 GHz时的电流分布。左边的天线单元连接激励源,右边的天线单元连接50 Ω负载。从图5可以看出,当Ant_A没有加载任何解耦结构时,有大量的地电流从左边天线单元流向右边天线单元。然而,Ant_B通过狭缝结构限制了大量从左边天线单元到右边天线单元的接地电流,因此,与Ant_A相比,Ant_B中耦合到右边天线单元的电流大大减小。通过对两种天线电流分布的比较分析,得出了与S21参数仿真结果一致的结论。

      图  5  7.5 GHz时天线有无解耦结构的电流分布

      Figure 5.  Current distribution of antenna with or without decoupling structure at 7.5 GHz

    • 为了抑制WiMAX和WLAN信号对该天线系统的影响,在半圆形辐射贴片上刻蚀两个不同长度的L型沟槽,该沟槽的长度可以使用公式(1)计算[6],即总长度约等于陷波中心频率波长λ的1/4。

      $$L{\rm{ = }}\frac{\lambda }{{\rm{4}}} = \frac{c}{{{\rm{4}}{f_0}\sqrt {{\varepsilon _{{\rm{eff}}}}} }},\;{\varepsilon _{{\rm{eff}}}} = \frac{{{\varepsilon _{\rm{r}}} + 1}}{2}$$ (1)

      式中:L表示沟槽的总长度;c为光速;f0为阻带所对应的中心频率;${\varepsilon _{{\rm{eff}}}}$${\varepsilon _{\rm{r}}}$分别是介质板的有效介电常数和相对介电常数。利用式(1)计算可得:当阻带中心频率分别为3.5 GHz和5.5 GHz时,对应L型沟槽的长度分别为13.0 mm和8.3 mm,CST仿真软件优化得到分别为12.5 mm和8.3 mm,说明刻蚀该L型沟槽的合理性。如图6所示,刻蚀向上的L型沟槽实现了WiMAX频段的陷波,刻蚀向下的L型沟槽实现了WLAN频段的陷波。

      图  6  双陷波UWB MIMO天线的S11

      Figure 6.  S11 of the proposed two band-notched UWB MIMO antenna

      图7为天线在3.5 GHz和5.5 GHz处的电流分布,可以看出,在3.5 GHz和5.5 GHz两个陷波频率处,电流主要聚集在两个L型沟槽上,能量主要汇聚在两陷波结构中不能被天线向外辐射,从而产生陷波;在非陷波频段电流分布明显扩宽,能量可以被辐射到外部空间,天线能够正常工作。

      图  7  双陷波超宽带MIMO天线的的表面电流分布

      Figure 7.  Surface current distribution of double-notch UWB MIMO antenna

      通过电磁仿真软件CST对所设计的天线尺寸进行仿真优化。最终,超宽带MIMO天线的最优尺寸如表1所示。

      表 1  天线的几何尺寸

      Table 1.  Antenna geometry

      L1/mmL2/mmL3/mmL4/mmL5/mmL6/mmW1/mmW2/mmW3/mmW4/mmR1/mmR2/mm
      6.5 5.0 5.1 0.1 12.5 17.25 6.0 3.3 1.5 0.2 9.5 15
    • 为了进一步验证超宽带MIMO天线的工作性能,我们按照最终优化尺寸进行加工和测试,MIMO天线最终加工出的PCB实际效果图在图1中已展示。该天线的反射系数、隔离度等采用安捷伦矢量网络分析仪E8363B测得,天线馈电端焊接SMA-K型连接器,天线与测试系统之间采用高频同轴电缆连接,此外,天线的方向图在微波暗室中测得。

    • 图8为UWB MIMO天线实测和仿真的S参数,可以看出:实测和仿真的S参数基本一致,但也有一些偏差,比如在5~6 GHz频带内相差较大,这主要是因为测试的环境并非完全屏蔽,周围有很多电磁干扰,这些电磁干扰对天线的影响有积极的(干扰产生新的谐振频点),也有消极的(阻止天线向外辐射能量),另外就是天线加工制作的精度、SMA接头焊接技术(焊接点尖锐或者较大)、介质板材的质量等均可导致类似的偏差。无独有偶,在该频段,MIMO天线的隔离度实测的要比仿真的结果更好。超宽带MIMO天线的工作频率为3.0~11 GHz,陷波频段为3.1~3.7 GHz和5.15~5.85 GHz,可以抑制WiMAX和WLAN信号对该超宽带天线的干扰。此外,该天线在超宽带频段内的隔离度大于25 dB,优于文献[7-8, 10, 12-13]中报道的天线。

      图  8  天线仿真和测试的S参数

      Figure 8.  Measured and simulated S-parameters of the antenna

    • 图9为超宽带MIMO天线在3.5 GHz,5.5 GHz和9.5 GHz频点处仿真和实测辐射方向图,可以看出,该天线在H面呈现出良好的全向辐射特性,E面呈现了类似传统单极子天线“8”字型,说明MIMO天线有利于天线接收和发送各个方向的信号,从而实现多输入多输出功能。

      图  9  超宽带MIMO天线的方向图

      Figure 9.  Radiation patterns of the proposed UWB MIMO antenna

    • 图10是天线的最大增益和辐射效率随频率变化的结果,在工作频带内,天线的最大增益大致为6 dBi,在陷波频段中,天线的增益降至−3 dBi左右,有效地解决了超宽带与WLAN之间的电磁兼容问题。另外,从图中可以看到该天线在通频带内具有较高的辐射效率,辐射效率都大于85%,在WiMAX和WLAN频带内,天线的辐射效率骤降至20%左右。

      图  10  天线的增益和效率

      Figure 10.  Gain and efficiency of the proposed antenna

    • 对于MIMO天线,包络相关系数(ECC)用于说明MIMO天线单元之间的相关性。较低的ECC表示较高的分集增益。利用S参数(式(2))计算出的ECC被近似于理想的均匀散射环境。为了获得能够反映实际情况的计算结果,根据式(3),使用远场辐射方向图对ECC进行数值计算[21]。观察图11,该天线在工作频带中ECC非常低(ecc<0.004),这意味着所设计的MIMO天线具有较低的相关性和较高的分集增益。

      图  11  MIMO天线的相关系数

      Figure 11.  ECC of the proposed MIMO antenna

      $$ {e_{{\rm{cc}}}} = \frac{{{{\left| {{S_{11}}^*{S_{12}} + {S_{21}}^*{S_{22}}} \right|}^2}}}{{\left( {{\rm{1 - }}{{\left| {{S_{11}}} \right|}^2} - {{\left| {{S_{21}}} \right|}^2}} \right)\left( {{\rm{1 - }}{{\left| {{S_{22}}} \right|}^2} - {{\left| {{S_{12}}} \right|}^2}} \right)}} $$ (2)
      $${\rho _{{\rm{e}}ij}} = \frac{{{{\left| {\displaystyle\int_0^{2{\text{π}}} {\displaystyle\int_0^{\text{π}} {\left( {{R_{{\rm{xp}}}}{E_{\theta i}}E_{\theta j}^*{P_\theta } + {E_{\varphi i}}E_{\varphi j}^*{P_\varphi }} \right){\rm{d}}\varOmega } } } \right|}^2}}}{{\displaystyle\int_0^{2{\text{π}}} {\displaystyle\int_0^{\text{π}} {\left( {{R_{{\rm{xp}}}}{E_{\theta i}}E_{\theta i}^*{P_\theta } + {E_{\varphi i}}E_{\varphi i}^*{P_\varphi }} \right){\rm{d}}\varOmega \times \displaystyle\int_0^{2{\text{π}}} {\displaystyle\int_0^{\text{π}} {\left( {{R_{{\rm{xp}}}}{E_{\theta j}}E_{\theta j}^*{P_\theta } + {E_{\varphi j}}E_{\varphi j}^*{P_\varphi }} \right){\rm{d}}\varOmega } } } } }}$$ (3)

      式中:ecc表示包络相关系数;ij是端口数;Rxp是交叉极化比;PθPφ分别是入射波角密度函数的θφ分量;Ω是球坐标的立体角。

      为突出介绍本文设计的新颖性,表2列出了本文与参考文献[7-8, 10, 12-15]提出的天线性能的比较,与[8, 15]中报道的天线相比,所提出的天线具有更紧凑的尺寸和更高的隔离。此外,所提出的天线具有比文献[10]中的天线更宽的操作带宽。尽管文献[16]中天线的隔离度与本文所设计的天线相同,但其天线的尺寸为本文天线尺寸的2倍。

      表 2  本文提出的超宽带MIMO天线与之前报道天线的性能比较

      Table 2.  Performance comparison between the proposed UWB-MIMO antenna and other recently reported antennas

      paperantenna sizebandwidth/GHznotched-bands/GHzisolation/dBECC
      Ref. [7]32.4 mm×58.4 mm2.44~10.753.01~4.00, 5.20~5.86>22<0.015
      Ref. [8]73 mm×73 mm3.00~18.003.30~3.80, 5.10~5.80>20<0.001 5
      Ref. [10]33 mm×35 mm3.10~5.00>22
      Ref. [12]28 mm×50 mm2.80~11.503.30~3.90>18<0.000 3
      Ref. [15]58 mm×58 mm3.00~13.503.20~3.80, 5.20~5.80>22<0.008
      Ref. [16]48 mm×80 mm3.10~10.60>25
      this paper35 mm×50 mm3.00~11.003.10~3.70, 5.15~5.85>25<0.004
    • 本文提出了一种新颖的栅栏式解耦结构和“L”型陷波结构,以实现超宽带MIMO天线的高隔离度和双阻带特性。实验结果证明,该天线在工作带宽(3~11 GHz)内具有较高的隔离度(S21>25 dB),同时,抑制了来自WiMAX和WLAN波段的干扰,为便携式超宽带通信系统提供了良好选择。此外,较低的包络相关系数(<0.004)说明天线具有更好的分集性能。

参考文献 (21)

目录

    /

    返回文章
    返回