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1.应用于5G的三频MIMO天线设计
作者：周籽怡;杨志鹏;杜成珠
作者单位：上海电力大学;.国网上海市电力公司嘉定供电公司
关键词：5G;卫星通信;多频天线;多输入多输出(MIMO);高隔离度;“X”型隔离枝节
摘 要:随着5G通信技术的商用和卫星通信的快速发展及技术创新,设计了一种使用“X”型隔离结构的三频 二元多输入多输出(MIMO)天线。天线由两个倒置且平行放置的单元辐射贴片组成,并通过在其正面、背面加载 隔离枝节来提高天线的隔离度,同时在天线背面采用开槽技术来改善天线的带宽。天线整体尺寸仅有37 mm× 25 mm×0.8 mm,实测工作频段为4.3~5.8 GHz、8.02~9.3 GHz和12.2~14.8 GHz,在工作范围内端口隔离度 均优于23 dB,全频段包络相关系数(ECC)分集增益(DG)>9.99 dB,分集性能良好,满足 MIMO 天线传输 性能的要求。研究表明,该天线适用于5G和卫星通信系统。
0 引言
目前卫星通信对小型化,低成本,低剖面,高增 益,方向性的要求越来越高。天线作为收发信号的 器件,在通信系统中有着重要应用[1]。5G 通信的应 用现已进入大规模商 用 进 程。相 较 于 4G 通 信 技 术,5G 移动通信系统在数据传输速率、时延和连接 密度等方面具有较大优势,是当前宽带移动通信领 域的研究热点[2]。同时,5G 低地轨道卫星通信可提 供更强的无线覆盖,超出5G 地面网络的覆盖范围, 而作为能同时接收卫星通信与5G 信号的多输入多 输出(MIMO)天线有着广泛的应用价值。近地轨道 卫星通信能实现5G 以上地面网之外的无线覆盖, 因此要求卫星通信天线具有较高的增益、交叉极化 隔离、低副瓣、宽频带、低回波损耗以及收发频段高 隔离等[3-4]特点。多频段天线可将所需的多个频段 集合在单个天线上,既能降低互扰效应,又能避免 占用其他业务所需的频带。另外,多频 MIMO 天线 采用 MIMO 技术可提高传输效率和频谱利用率,减少各信道间的相互干扰。通过多工作模式、寄生分 支、缝隙加载、多芯片、电抗负载、多贴片叠层、集总 元件加载等方式可实现多频段天线[5]。文献[6-7] 通过在天线电路板背面加入寄生分支来增加额外 的频段;文献[8]是在天线贴片或者地板上设置分 枝,从而激励出新的谐振点形成多频;文献[9-10]通 过在天线上加载多个缝隙以构成多个谐振点的多 频段天线。
MIMO 技术作为第五代移动通信的核心,在无 线通信系统中具有重要地位。在不增加频谱资源 和天线发射功率的情况下,采用 MIMO 技术可使系 统容量翻倍,具有明显的优势[11]。该技术的重点在 于多个天线可实现同时发送和接收信号,但若天线 间的隔离度不够高,则会导致天线之间的信号相互 干扰,使信号质量降低,造成传送速率下降等问题。 因此,为使 MIMO 系统达到最佳性能,MIMO 天线 采用解耦技术来降低或消除多个单元天线间的干 扰。文献[12]是通过两个单元天线采用正交放置 方式来提高隔离度,天线各端口间的隔离度均大于 15 dB;文献[13]通过在两个单极子天线中间加载 T 型隔离结构来提高天线间的隔离度,隔离度均大于 20 dB;文献[14]是在地板上刻蚀 C 型槽以改善天 线的隔离 性 能,实 现 了 工 作 频 段 内 隔 离 度 均 大 于 20 dB。
本文设计了一款应用于5G n79和卫星通信的 具有高隔离度特性的三频双元 MIMO 天线。它由 两个倒置且平行的单元天线构成。天线单元的结 构是在单极子天线的基础上添加两个枝节,从而实 现天线的三频带特性。此外,在天线背面的地板上 开槽,进一步优化天线的阻抗匹配,并添加“X”型去 耦结构,在不影响工作频段的前提下,使天线获得 较高的隔离度。所设计天线 的 工 作 带 宽 为 4.3~ 5.8 GHz、8.02~9.3 GHz和12.2~14.8 GHz,端 口隔离度S21 均大于23 dB。
1 天线结构设计
本文设计的三频二元 MIMO 天线选用介电常 数为4.4,损耗角正切值为0.02,厚度为0.8 mm 的 FR4介质基板。天线整体尺寸为37 mm×25 mm, 基本设计结构如图1所示,其余经过仿真优化后的尺寸参数如表1所示。
图2为天线的设计过程。由图可见,天线 A 由 两个倒置且平行的单元天线构成,两单元天线地板 的横向间距为5 mm;为了提高天线的隔离度,在天 线 B的背面添加一个隔离枝节;天线 C 是在天线 B 的基础上,在其正面相对应的位置引入一个隔离枝 节;天线 D则是通过在天线 C的背面再增加一个枝 节,该枝节与两单元天线的地板连接,使两个单元 天线的地相连通,形成“X”型隔离结构。
由图3可知,在天线隔离枝节的设计过程中,天 线的回波损耗并未发生太大变化,有、无隔离枝节主 要影响天线的隔离度;在背面地板未连接的情况下, 正、反面隔离枝节的加载使天线在中高频的隔离度有了较大提高,而将天线地面连接后则能有效地改善低 频的隔离,使工作频段内隔离度>20 dB。
根据上述的天线进程并通过模拟仿真得到最 佳参数,最终加工出的天线实物如图4所示。
2 天线仿真分析与实测实验结果
本文运用三维电磁仿真软件 ANSYS HFSS对 天线进行设计及仿真优化,并依据模拟和测试结果 分析了天线的各类参数。
2.1 天线结构对S 参数的影响分析
图5为天线右侧枝节下方,小枝节距离馈线的 位置L6 对天线S 参数的影响变化图。
由图5可见,当L6 逐渐增大时,S11 变化较小, 天线中频带的频段会整体向低频偏移,同时带宽会 逐渐减小,但高频段和低频段的频带无明显变化。 当L6 增大时,S21 变化较小,说明L6 参数对天线隔 离度的影响非常小。其中,通过调整 L6 参数可得 到约9 GHz的中频带。
2.2 S 参数及电流分布图
图6为天线S 参数对比图。
由图6(a)可见,当天线实测的回波损耗曲线小 于-10 dB 时,其工作频段带宽为4.3~5.8 GHz、 8.02~9.3 GHz、12.2~14.8 GHz。仿真与实测的 S11 差别不大,频带偏移主要出现在中频段部分,而导致模拟值与测试值之间存在差异的原因,是天线 受到加工公差、SMA 头焊接、测试电缆等因素影响。
由图6(b)可见,实测与仿真数据的隔离度均大于 20 dB,且实测数据略优于仿真,达到23 dB。 图7为天线在5 GHz时正、反表面电流分布图。 由图可见,在增加了隔离结构后,正面和背面的隔离 枝节都会产生较大的耦合电流,表明该天线使用的隔 离结构能有效改善两单元天线间的隔离度。
2.3 辐射方向图
图8为该天线分别在5 GHz、9 GHz和14 GHz 下远场辐射方向图的实测与仿真结果比较。在这3 个频点处,H 平面上的辐射方向图近似于圆形,说明该 天线能实现全方位的接收;E平面上,各方向图都近似 于“8”字型,表明该天线具有良好的双向辐射特性。
2.4 增益
图9 为 天 线 增 益 图。 由 图 可 知,该 天 线 在 5 GHz频段的增益为1.9 dB,9 GHz频段为4.9 dB, 14 GHz频段为7.3 dB,说明天线具备优良的增益 特性。在某些特定的频率,天线的实测增益比仿真 的略低,这主要是受到测量环境的影响以及 SMA 接头的损耗所致。
2.5 包络相关系数
天线分集技术是保证多输入多输出通信系统 中信道非相干性的重要手段。它可用于衡量各天 线间的辐射模式和偏振特性,并通过包络相关系数 (ECC)进行表征。通常情况下 ECC说明多 输入多输出天线具有较好的独立性。该相关系数 可通过S 参数进行计算,其计算方式[15]为
式中S * 11、S * 21 分别为S11、S21 参数经共轭变换所得。
分集增益(DG)作为衡量 MIMO 天线性能的一 个重要指标,通常当 DG>9.5 dB 时才能体现出良 好的分集特性,有:
图10为ECC 与DG 的仿真与实测值对比图。 由图可见,在整个工作频带内 MIMO 天线的实测 ECC 值均小于0.03,而 DG 值则高于9.99 dB,这 说明该 MIMO 天线元件间的相关性很小,且有很好 的分集性能。
3 天线性能比较
表2为所设计天线与其他天线的性能对比。由 表可见,所设计的三频 MIMO 天线具有较高的隔离 度,且可实现5G 和卫星通信的频段要求,在5G 技 术与卫星通信相结合的物联网通信领域具有广阔 的应用前景。
4 结束语
本文提出了一种基于“X”型隔离结构的高隔离 度三频带 MIMO 天线。该天线使用 FR4作为介质 基板,并由两个倒置且平行的单元天线构成。通过 加载天线正面单元天线间的隔离枝节和背面的“X” 型隔离结构,提高了天线的隔离度。天线的实测工 作频段为4.3~5.8 GHz、8.02~9.3 GHz和12.2~ 14.8 GHz,其满足5G n79、X/Ku波段卫星通信要求。 实测结果表明,天线在工作频带上的隔离度均大于 23 dB、全 频 段 ECC 值 均 低 于 0.03,DG 值 则 高 于 9.99 dB,符合 MIMO天线的传输性能需求。
