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一種高隔離度雙頻MIMO天線


2019-03-27    來源:現代電子技術    作者:王利紅

關鍵詞: MIMO; 雙頻; 高隔離度; 毫米波; 高增益; 極化分集 
  中圖分類號: TN823?34                        文獻標識碼: A                           文章編號: 1004?373X(2019)05?0036?04 
  A dual?band MIMO antenna with high isolation 
  WANG Lihong 
  (School of Physics and Electronics Science, Shanxi Datong University, Datong 037009, China) 
  Abstract: A dual?band MIMO antenna with high isolation is designed. The compact double?port polarization diversity antenna and four?port MIMO antenna are obtained by perpendicularly and orthogonally placing two broadband millimeter wave antennas onto the FR?4 dielectric substrate. The mutually orthogonal polarization mode is used to improve the isolation of adjacent ports. The semicircular annular and U?shaped slots are etched on the radiation patches of the two antenna elements respectively to meet the dual?band characteristic, and a rectangular slot is slotted on the ground. The HFSS simulation analysis results show that the designed antenna can operate at 28 GHz (24.5~29 GHz) and 39 GHz (36~47 GHz), has perfect radiation characteristic within working bands, and the isolation between adjacent ports can reach up to 30 dB. Four metal strips are loaded on the antenna as the director to improve the gain of the antenna. 
  Keywords: MIMO; dual?band; high isolation; millimeter wave; high gain; polarization diversity

0  引  言


  5G無線通信系統得到了全球企業、研究院所和高校的廣泛關注[1]。與4G相比,其主要特點之一就是轉向了容易獲得且帶寬更寬的高頻段[2?3],FCC公布將24 GHz以上頻段用于5G移動寬帶運營,分別為 [4]28 GHz,37 GHz,39 GHz和64~71 GHz。 
  MIMO技術在無線通信系統中得到了廣泛的應用,因此設計一種工作于高頻段的毫米波MIMO天線也成了一個重要的研究方向[5?10]。為了提高天線端口間的隔離度,文獻[6?7]在天線地面開了長方形槽,結構簡單但隔離度只達到20.6 dB和17 dB。文獻[8]采用EBG結構去耦的方式,使天線的隔離度達到30 dB,但天線結構較復雜,且為窄頻帶。 
  本文設計了兩款輻射貼片上刻蝕一定結構縫隙的雙頻毫米波寬帶天線,并組合使其極化方式正交,得到了高隔離度且結構緊湊的雙端口極化分集天線和四端口MIMO天線。所設計的天線可工作在28 GHz和39 GHz,在工作頻段內具有較好的輻射特性,天線端口間的隔離度達到了30 dB以上。同時,在天線上方加載了4根金屬條作為引向器,使得天線增益提高了2 dBi。

1  雙端口極化分集天線設計


  1.1  天線結構 
  雙端口極化分集天線的結構如圖1所示。其中Ant_1和Ant_2的輻射貼片上分別刻蝕了半圓環形和U形縫隙,地面開了長方形槽,改善了工作頻段內的阻抗匹配,得到了雙頻諧振。兩天線單元垂直正交地印制在介電常數為4.4,厚度為0.6 mm的FR?4介質基板上。

  1.2  天線的電流分布 
  圖2是天線在28 GHz和39 GHz時的電流密度分布圖。可見在兩個頻率點處,端口1單獨饋電時Ant_2上的電流分布都很稀疏,兩端口間的電磁耦合很微弱,隔離度較高;端口2單獨饋電時對Ant_1的影響也很微弱,隔離效果較好。

1.3  天線的[S]參數 
  兩天線單元垂直正交放置可以提高隔離度,但天線單元的間距很近會產生較強的耦合,所以需要在確保天線性能的基礎上來確定天線單元間的距離[d]。圖3給出了不同[d]值時天線的[S]參數。 
  從圖3a),圖3b)可以看出,在[d]大于2.4 mm時,[S22]曲線幾乎沒有變化,而在高頻段的[S11]值有較大變化,這是因為在高頻段,如圖2d)所示,Ant_2單獨饋電時Ant_1的地邊緣存在著較大的電流分布。圖3c)顯示,隨著[d]的增大天線兩端口間的隔離度逐漸增加,綜合考慮到天線的隔離度和尺寸,選擇[d]為3.8 mm。

  圖4顯示了優化后天線的[S]參數。所得Ant_1的工作頻段為24.5~29 GHz和35~47 GHz,Ant_2的工作頻段為22~32.5 GHz和36~52 GHz,諧振點為28 GHz和39 GHz。因此所設計的雙端口極化分集天線可工作在24.5~29 GHz和36~47 GHz。由[S12]曲線可知,天線隔離度達到了30 dB以上,高頻段甚至可達40 dB。

  1.4  天線的輻射方向圖 
  圖5給出了兩天線的輻射方向圖。由圖5可見,端口1單獨饋電時Ant_1的[yOz]面和端口2單獨饋電時Ant_2的[xOz]面方向圖基本一致,呈全向型,而端口1單獨饋電時Ant_1的[xOz]面和端口2單獨饋電時Ant_2的[yOz]面方向圖相似,為“8”字形,兩天線的極化方式實現了垂直正交。

2  四端口MIMO天線設計


  圖6是四端口MIMO天線的示意圖。該天線由2個Ant_1和2個Ant_2組成,其中每兩個相鄰天線單元都垂直正交地印制在尺寸為12 mm×12 mm的FR?4介質基板上。

  設計天線的增益較低,所以在天線上方加載了4根金屬條作為引向器以提高增益,如圖6b)所示,其中金屬條刻蝕在介電常數為4.4,厚度為0.6 mm的介質基板上,與天線的垂直距離為4.4 mm。仿真優化所得尺寸為:[l7=]2 mm,[l8=]3 mm,[a3=]0.25 mm,[a4=]0.15 mm,[d1=]4.5 mm,[d2=]5.2 mm。

  圖7是四端口MIMO天線的[S]參數圖。由圖7a)可見,Ant_1和Ant_3 的[S]曲線基本一致,工作頻段為24.5~28.8 GHz和35~46 GHz,Ant_2和Ant_4的[S]曲線基本相同,工作頻段為22~33 GHz和36~52 GHz。因此,四端口MIMO天線可工作在24.5~28.8 GHz和36~46 GHz。由圖7b)可知,天線隔離度在整個工作頻段內達到了30 dB以上。天線增益如圖8所示,可見加上引向器后天線增益最高可增加2 dBi。

3  結  語


  在毫米波超寬帶天線的基礎上,設計了兩款雙頻寬帶天線,同時合理組合兩款天線使其極化方式正交,得到了高隔離度且結構緊湊的雙端口極化分集天線和四端口MIMO天線。所設計的天線可工作在28 GHz(24.5~29 GHz)和39 GHz(36~47 GHz),在工作頻段內具有較好的輻射特性,天線端口間的隔離度達到了30 dB以上。同時,在天線上方加載金屬條作為引向器,使得天線增益最高增加了2 dBi。
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