多扇区超带宽MIMO天线的研究与设计.pdf

2023 年第 11 期158信息技术与信息化电子与通信技术多扇区超带宽 MI MO天线的研究与设计孟亚婷1 杨晓庆1 王 杰1MENG Yating YANG Xiaoqing WANG Jie 摘要 设计了一种多扇区超带宽多输入多输出（multiple-in multiple-out，MIMO）天线，整个天线结构由四个准八木环形天线组成，相邻单元之间的间隔角度为 90。环形周长设计在 4.0 g（g 为 5.8 GHz 波导波长），可以获得四个不同的电流最大值，即在单一馈电时可产生四个不同方向的波束。每个天线元件的主波束与相邻天线的主波束相差近 90，每个天线元件相邻两束的最大距离至少为 73，这表明 MIMO 天线系统具有高度不相关性，可以实现水平面内全方向范围的波束覆盖。天线环路引入 L形枝节作为等效的电偶极子，可以抵消来源于地面电流的辐射。提出的 MIMO 天线阻抗带宽为 65.6%（3.35 6.62 GHz），最大可实现增益为 7.1 dBi。关键词 环形天线；准八木天线；超带宽天线；多扇区；多波束；MIMO 天线 doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2023.11.0361.四川大学电子信息学院 四川成都 6100650 引言近年来随着无线通信的快速发展，移动通信用户的数量正在急剧地增加，通信系统对于更高的数据交换速率和更好的通信质量的需求也在日益提高。传统的单波束天线系统只能对单一区域进行波束覆盖，其数据交换速率已经难以满足用户分布位置范围广且密度大的应用场景。因此，近年来很多学者提出了可以提供全方向波束覆盖的多扇区MIMO天线1-3。此类天线是由多个天线子模块旋转组合而成，每个子模块有单独的馈电端口，不同端口被激励时可生成不同指向的波束，多个端口之间可以独立工作，能同时处理多个扇区的数据交换4-6。目前研究者们提出了一些用于 WLAN 通信系统的多扇区 MIMO 天线的设计方案，其中，常用的天线单元有多种形式，比如贴片天线、八木宇田天线、对数周期天线和准八木天线等。这些天线单元多以一定角度依次旋转形成了对称的多天线系统，从而实现多角度的波束覆盖。一种用于 WLAN 接入点的具有高端口隔离度的六端口多输入多输出天线系统7使用了耦合馈电的贴片天线作为一个子模块，经过旋转后形成了一个旋转对称的整体天线布局。它可以实现水平和垂直两种极化方式，采用孔径耦合馈电机制、四分之一波长阻流和寄生凹槽等方式实现了超过 45 dB的隔离度。2011 年，国外研究团队提出了一种八木 MIMO天线，使用了三个八木宇田天线旋转形成一个三端口扇区天线8，整体布局紧凑。该天线在 5.15 5.35 GHz 波段内具有良好的信道传输能力，但此天线的每个子波束的半功率波瓣宽度约为 100，无法满足整个水平面的波束覆盖。2015 年，国内研究者提出了一种双频双极化对数周期偶极子阵列天线9，通过结合地面 t 型狭缝和双极化排列两种解耦策略，实现了任意两个天线之间的高隔离。准八木天线在 MIMO 天线中运用较少，一种准八木 MIMO 天线系统10通过激发环天线的 3.5 g 谐振模式，得到天线多个最大电流密度，从而产生最大值彼此分开的多个方向的波束。该 MIMO 天线系统针对 5.8 WLAN 波段的测量阻抗带宽为 16.2%，实现了 14 dB 的高前后比（front-to-back ratio，FBR）和约 6 dBi 的增益。但此天线仅能实现一个维度的波束覆盖，且带宽略窄，无法满足更高的带宽应用需求。本文提出了一种水平方向全覆盖的多扇区超带宽 MIMO天线。整个天线结构由四个环形准八木天线组成，相邻单元之间的间隔角度为 90。环形周长设计在 4.0 g 时可以获得四个不同的电流最大值，表示在单一馈电时可产生四个不同方向的波束，每个天线元件的主波束与相邻天线的主波束相差近 90。每个驱动环都使用微带线馈电，在金属地板上各馈电单元所对应的位置旁，各有一个圆形通孔来避免馈电单元和金属地板之间发生短路。天线环路引入 L 形的枝节作为等效的电偶极子，可以抵消来源于地面电流的辐射。提出的MIMO 天线阻抗带宽为 65.6%（3.35 6.62 GHz）、辐射效率在工作频带内均大于 92%。2023 年第 11 期159信息技术与信息化电子与通信技术1 天线结构设计多扇区超带宽 MIMO 天线系统由 4 个水平极化天线（Ant.1、Ant.2、Ant.3、Ant.4）组成，相邻单元之间的间隔角度为 90，而在基板的底部使用直径为 23 mm 的贴片作为寄生反射器（地平面），如图 1（）所示。Ant.1 位于负 x 轴方向，Ant.2、Ant.3、Ant.4 以 90间隔按逆时针方向以反射地板为中心旋转排列，将天线系统分为四个扇区。Ant.1、Ant.2、Ant.3、Ant.4 所对应的最大波束指向角度分别为 0、90、180和 270。单个天线结构如图 1（）所示，每个元件由一个驱动环路和四组寄生定向元件组成，寄生定向元件可以对电磁波起到反射作用，从而实现方向图的赋形。天线印制在 FR4 基板的两侧，基板的相对介电常数为 4.4，损耗角正切为 0.02，厚度为 0.76 mm。天线环路引入 L 形枝节作为等效的电偶极子，可以抵消掉来源于地面电流的辐射。每个驱动环都使用微带线馈电，微带线长度最终设计为 11.88 mm，宽度为 1.40 mm，以匹配50 的 SMA 连接器。在金属地板上各馈电单元所对应的位置旁，各有一个圆形金属化通孔来避免馈电单元和金属地板之间发生短路。如图 1（）所示，馈电单元是通过位于金属地板背面通孔位置处 50 同轴馈电线激励的，同轴线缆的外导体焊接在底层圆形地板上，内导体由下而上穿过介质基板焊接在顶层辐射贴片上。图 1 多扇区超带宽 MIMO 天线系统结构图使用仿真软件分析了天线单元的结构和参数对天线阻抗带宽、端口隔离度和辐射方向图等方面的影响，对天线的整体性能和尺寸进行了设计，天线的尺寸最终设计为：Rsub=75 mm、Rgnd=23 mm、R1=16.50 mm、wr=3.50 mm、L1=12 mm、L2=6.6 mm、L3=10 mm、L4=14.08 mm、Ladd=12 mm、Wadd=2 mm、dis=3.5 mm、h=0.76 mm。由天线的结构可知，天线环上的表面电流产生的电场与表面电流同向，因此在远场任意一点产生的电场均与天线平行，不存在与天线垂直分布的电场分量，所以此天线辐射的电磁波为水平极化波。环形准八木天线可以通过简单的结构设计实现不同的谐振模式，其谐振模式与环形周长、导体厚度、馈电结构等有关。通过改变环的周长，可以在不同的位置产生单个或多个电流最大密度，即产生几种共振模式。当环形周长设计在 4.0 g 时可以获得四个不同的电流最大值，表示在单一馈电时可产生四个不同方向的波束。如果将周长设置到更大，那么可获得的波束就更多，但此时的天线尺寸过大，不能很好地集成在应用场景。图 2 显示了分别馈电Ant.1、Ant.2、Ant.3、Ant.4 时在 5.8 GHz 频率处天线的电流分布，可以看出，当馈电天线被激发到 4.0 g 和其他天线匹配 50 负载时，产生四个方向最大电流密度耦合区域，这表明馈电天线可以同时产生四个不同指向的波束。从地平面上的电流分布中也可以观察到，当一个天线被激发时，仅有较低的电流被耦合到另外三个天线，表明天线元件之间具有高端口隔离度，确保了天线的多输入多输出性能。图 2 分别馈电 Ant.1 4 时在 5.8 GHz 频率处天线的电流分布环形准八木天线的工作条件需要满足激励环尺寸小于反射器尺寸（即地板尺寸）且大于定向寄生元件尺寸11。在多元环形准八木天线中每个环路的自阻抗和互阻抗决定了环路上的电流分布，所以可以通过调整环路与寄生定向元件的间距和选用合适长度的寄生定向元件得到想要的方向图。反射器主要影响天线的前后比值，对八木天线其他特性参数的影2023 年第 11 期160信息技术与信息化电子与通信技术响甚小，所以通常只设计一个反射器。天线的增益主要受到寄生定向元件的影响，可以通过增加寄生定向元件的数量来提高天线辐射的增益，但并非越多越好，因为各个寄生定向元件之间的耦合作用会使天线的工作频带变窄。因此本文仅设计一组寄生定向元件，长度设计为 0.5 g。天线环路引入L 形的枝节作为等效电偶极子，环路天线可以等效为一个磁偶极子抵消掉来源于地面电流的辐射。由于天线使用了多端口的配置，增大了系统的通信容量，而且借助了寄生定向单元的相对电长度和位置形成特定指向的波束，不需要设计额外的馈电网络。2 MIMO 天线仿真结果为了深入了解天线的工作方式，利用 HFSS 仿真软件分析驱动环路与反射地板之间的距离 L2对于天线性能的影响。由于此天线具有旋转对称结构，各端口应具有相同的回波损耗特性，因此图 3（）仅给出了不同 L2对于 S11的变化。图3（）说明了驱动环路与反射地板之间的距离对阻抗带宽的影响，结果表明 L2的变化主要会影响工作频带内高频端的谐振频率和低频端的谐振深度。当 L2增大时，天线阻抗匹配所对应的频段往低频偏，为了获得更好阻抗带宽性能，L2最终设计为 6.6 mm。图 3（）给出了分别对 Ant.1、Ant.2、Ant.3、Ant.4 进行馈电的 S 参数结果。结果表明，天线系统具有 65.6%的相对带宽，S11在 3.35 6.62 GHz 的频段内小于-10 dB。天线各端口隔离度在工作频段内小于-20 dB，从端口隔离度结果可知，天线各端口之间隔离度较高，能量耦合较小，此结果得益于各天线单元接地面积小，结构设计紧凑。（）不同 L2对于 S11 的影响 （）天线系统 S 参数图 3 仿真软件分析由前文分析得知，寄生定向元件的尺寸会主要影响天线的增益，表 1 分析了寄生定向元件与环路间距对天线系统增益和前后比的影响。可以看出，对于较低的间距值，增益和前后比值较低。然而，当间距增加到 3.5 mm 时，增益和前后比都增加了，当间距进一步增加超过 3.5 mm 时，增益又开始减小。因此，在最终的设计中，寄生定向元件与环路间距的值保持为 3.5 mm。表 1 定向元件与环路间距对天线系统增益和前后比的影响Dis/mmGain/dBiFBR/dB2.54.8322.13.04.8422.43.55.0022.54.04.7621.34.54.8822.5天线系统在各频点的最大可实现增益和辐射效率的仿真结果如图 4（）所示。该天线系统在 5.8 GHz 的最大可实现增益为 6.0 dBi，而在整个工作频带内的最大可实现增益为7.1 dBi。此外，天线系统在工作频带具有超过92%的辐射效率。此天线具有良好的增益和辐射性能，适合作为 WLAN5.8 GHz频段的多扇区天线。图 4（）显示了对 Ant.1 进行馈电时的天线前后比（本文前后比是最大增益值与距离最大增益值 180处的增益值之差）。结果显示，在工作频带内，天线系统的前后比最高可在 5.8 GHz 频率处达 22.5 dB，这表明了天线对后瓣具有良好的抑制作用，避免了天线后瓣造成的越区覆盖。由于天线具有旋转对称结构，因此对 Ant.2、Ant.3、Ant.4 进行馈电时的天线前后比表现类似。（a）天线最大可实现增益曲线（b）天线前后比曲线图 4 仿真结果多扇区超带宽 MIMO 天线系统的二维辐射方向图如图5 所示，图 5 显示了在 5.8 GHz 频率处=90下计算的方位角（XY）平面上的图案。当 Ant.1、Ant.2、Ant.3、Ant.4被分别激励时，方位角平面波束指向角分别为 Phi=15、Phi=107、Phi=195、Phi=284，可以看出，由于此天线结构是旋转对称的，每个天线元件的主辐射波束与相邻天线的主辐射波束相差近 90，这表明，MIMO 天线系统的四个天线工作模式是高度不相关的，可以实现水平面内全方向范围的波束覆盖。此外，当 Ant.1 被激励时，天线元件生成了 4 个波束，方位角平面波束指向角分别为 Phi=15、Phi=90、Phi=163、Phi=264；当 Ant.2 被激励时，天线元件生成的 4 个波束指向角分别为 Phi=107、Phi=180、Phi=253、Phi=351；当 Ant.3 被激励时，天线元件生成的4 个波束指向角分别为 Phi=195、Phi=269、Phi=344、2023 年第 11 期161信息技术与信息化电子与通信技术Phi=85；当 Ant.4 被激励时，天线元件生成的 4 个波束指向角分别为 Phi=283、Phi=359、Phi=74、Phi=173；以上结果分析可知相邻两束的最大距离至少为 73，与前文分别馈电四个天线时的电流分布分析一致。这表明每个天线元件可以产生 4 个波束（其中 1 个主波束，3 个副波束），证明天线系统同时具备多波束特性。图 5 多扇区超带宽 MIMO 天线系统二维辐射方向图3 结语本文设计了一种多扇区超带宽 MIMO 天线，天线的基本结构采用微带形式，整个天线结构由四个环形准八木天线组成，相邻单元之间的间隔角度为 90。通过计算设计环形周长为 4.0 g 将天线系统分为四个扇区。四个环形天线分别馈电时所对应的最大波束指向角度分别为 Phi=15、Phi=107、Phi=195、Phi=284。每个天线元件相邻两束的最大距离至少为 73，这表明 MIMO 天线系统具有多波束特性，可以实现水平面内全方向范围的波束覆盖。每个驱动环都使用微带线馈电，设计圆形金属化通孔来避免馈电单元和金属地板之间发生短路。天线环路引入 L 形枝节作为等效的电偶极子，可以抵消掉来源于地面电流的辐射。提出的多扇区超带宽 MIMO 天线系统具有 65.6%（3.35 6.62 GHz）的相对带宽，最大可实现增益为 7.1 dBi，天线在 5.8 GHz 时的前后比为 22.5 dB，因此其在用户分布位置范围广且密度大的应用场景有较大的应用潜能。参考文献：1DAHLMAN E,MILDH G,PARKVALL S,et al.5G wireless access:requirements and realizationJ.IEEE communications magazine,2014,52(12):42-47.2 马景斌.5G 移动通信发展趋势与若干关键技术的探讨 J.中国新通信,2021,23(18):5-6.3SWALES S C,BEACH M A,EDWARDS D J,et al.The per-formance enhancement of multibeam adaptive base-station antennas for cellular land mobile radio systemsJ.IEEE trans-actions on vehicular technology,1990,39(1):56-67.4HONG W,JIANG Z H,YU C,et al.Multibeam antenna technol-ogies for 5G wireless communicationsJ.IEEE transactions on antennas and propagation,2017,65(12):6231-6249.5YUN D S,KWON Y J,LEE S J,et al.Development of commu-nication interfaces between the base-station and the user de-vice for wireless automotive sensor network systemC/2015 International Conference on Information and Communication Technology Convergence(ICTC).Jeju：IEEE,2015:28-30.6CHOWDHURY M Z,SHAHJALAL M,AHMED S,et al.6G wireless communication systems:applications,requirements,technologies,challenges,and research directionsJ.IEEE,2019,20(7):957-975.7HAN W,ZHOU X,OUYANG J,et al.A six-port MIMO antenna system with high isolation for 5-GHz WLAN access pointsJ.IEEE antennas&wireless propagation letters,2014,13:880-883.8 CAPOBIANCO A D,PIGOZZO F M,ASSALINI A,et al.A compact MIMO array of planar end-fi re antennas for WLAN applicationsJ.IEEE transactions on antennas&propagation,2011,59(9):3462-3465.9 LIANG J J,HONG J S,ZHAO J B,et al.Dual-band dual-po-larized compact log-periodic dipole array for MIMO WLAN applicationsJ.Antennas&wireless propagation letters IEEE,2015,14:751-754.10JEHANGIR S S,SHARAWI M S.A wideband sectoral quasi-yagi MIMO antenna system with multibeam el-ementsJ.IEEE transactions on antennas&propaga-tion,2018,21(12):1898-1903.11 李赛举.WLAN 双频双极化波束可重构天线研究 D.北京:北京交通大学,2021.【作者简介】孟亚婷（1999），女，贵州铜仁人，硕士，研究方向：天线设计。杨晓庆（1978），男，四川成都人，博士，教授，研究方向：电磁超材料、微波无损检测和多物理场分析。（收稿日期：2023-06-25 修回日期：2023-07-11）