小型雙頻段MIMO天線設(shè)計(jì)

小型雙頻段MIMO天線設(shè)計(jì)通過采J科分離式地平面結(jié)構(gòu)和寄生輻射單元兩種去耦技術(shù)+本章沒itT?款適用于移動(dòng)終端的低互耦M1MO天線。仿真和測(cè)量結(jié)果皆顯示所設(shè)計(jì)的M1MO天線在2.4-2.484GHzWLAN和3.4-3.69GHzWiMAX兩個(gè)工作頻段內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了較好的隔離效果(S^-ZOdB)；與此同時(shí)，不同端II饋電時(shí)方向圖的輻射區(qū)域空間4補(bǔ)+這可有效的克服多徑衰落*進(jìn)而提高通信菜統(tǒng)的性能.5.1天線設(shè)計(jì)原理與結(jié)構(gòu)為了迎合移動(dòng)終端體積逐漸減小的發(fā)展趨勢(shì)，天線之間的物理距離也必然將變得越來(lái)越小*由此造成多天線之I'lij存在越來(lái)越強(qiáng)的電磁耦合I為了降低近卅［離多天線之i'id的強(qiáng)電磁耦合*采用單的去耦技術(shù)仃卅難以達(dá)到令人滿意的去耦結(jié)呆*亍是往往采用多種去耦技術(shù)共FJ來(lái)實(shí)現(xiàn)低互耦。本章通過采J盼離式地平面結(jié)構(gòu)和寄生輻射單元兩種去耦技術(shù)，設(shè)計(jì)出了一款適用于移動(dòng)終端的雙頻段M1M0天線，天線具體的結(jié)構(gòu)模型如圖所示。圖"⑹和圖"(b)分別給出了所設(shè)計(jì)天線的正反面結(jié)構(gòu)，由這兩幅圖中可以看出：該NHMO天線的正面是兩個(gè)對(duì)稱分布的非均勻圓環(huán)單極子：反面是在兩分離接地平面上引入的T形分支結(jié)構(gòu)°所設(shè)計(jì)的M1MO天線印制在長(zhǎng)為44mm、寬為32mm、厚為0.8mm的FR4介質(zhì)肚板上*其中介質(zhì)板村FR4的和苗介電常數(shù)m為4.4+損植角正呦怕吐/小于0.02.該M1MO天線采用微帶線饋電方式進(jìn)行饋電，其中微帶線寬度的確定過程與第四章基本相同，經(jīng)過理論計(jì)算初始值與使用仿真軟nHFSS優(yōu)化之后*最終確定鍛帶線的寬度仍然為1皿叫圖5-1天線的結(jié)構(gòu)模型圖(單位：nun}如圖5-1町以看出，該MIMO天線主要由兩個(gè)對(duì)稱分布的非均勻圓壞單極子和在分離接地平面上引入的T形分支結(jié)構(gòu)組成。為了減小天線尺寸并貝有雙頻段工作特性，兩個(gè)輻射單元設(shè)計(jì)成部分切掉外壞的圓環(huán)形狀。這樣使得每個(gè)單極子的外圉有兩條長(zhǎng)短不同的路徑，進(jìn)而使其激發(fā)出兩個(gè)高低諧振頻率。通過選擇合適的圓環(huán)人小，就可以得到以四分之一波長(zhǎng)工作模式相對(duì)應(yīng)的雙諧振頻率。其中，介質(zhì)中的實(shí)際波長(zhǎng)心仕可以由下式直接求得：為了獲得較低的電磁耦合?，采用了分離式地平面結(jié)構(gòu)和寄生輻射單元兩種去耦技術(shù)，即FR4介質(zhì)板的背面采用在分開的地平面之間引入T形分支的結(jié)構(gòu)。其中，分開的兩地平面與T形分支之間并非物理連接在一起,而是通過電磁耦合聯(lián)系在一起。使用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS對(duì)T形分支的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,得到天線模型的具體參數(shù)值，其中H=20.4mm、W=6mnu之后實(shí)際加工制作了天線樣品，結(jié)果如圖5?2所示。圖5-2天線的實(shí)物樣品圖5.2仿真與測(cè)量結(jié)果通過使用業(yè)界最流行的天線仿真與設(shè)計(jì)軟件HFSS10.0和Agilent的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071B,對(duì)該雙頻段MIMO天線的S參數(shù)進(jìn)行了仿真和測(cè)量，其結(jié)果如圖5?3所示。同樣由于天線結(jié)構(gòu)的空間對(duì)稱性，使得S22=S?,S21=S12o為了簡(jiǎn)便起見，圖5-3給出了仿真與測(cè)量的部分S參數(shù)(Su和S12)結(jié)果。天線的-10dB阻抗帶寬覆蓋了2.4?2.4X4GHZ和3.4?3.69GHz頻段。天線的Su在低頻諧振點(diǎn)處達(dá)到了?20dB以下，在高頻諧振點(diǎn)處達(dá)到了?25dB以下；天線端丨I的隔離情況(S“)在上述兩個(gè)工作頻帶內(nèi)的最小值均達(dá)到了-35dB以下。由圖中可見，仿真和測(cè)量結(jié)杲吻合較好，均覆蓋了WLAN和WiMAX工作頻段且在工作頻段具有較高的端丨I隔離度(S12<-20dB)o_8P)_8P)使用微波暗室對(duì)該MIMO天線進(jìn)行測(cè)量，其輻射方向圖如圖5-4所示。圖中給出的是三個(gè)相互正交平面內(nèi)歸一化方向圖的分布情況。由于該MIMO天線在3.55GHz時(shí)輻射方向圖和在2.45GHz時(shí)輻射方向圖比較接近,為了簡(jiǎn)化起見,在此僅給出了在2.45GHz時(shí)輻射方向圖的分布情況。圖5-4(a)和(b)分別是當(dāng)左端II接激勵(lì)、右端II接匹配負(fù)載和右端II接激勵(lì)、左端II接匹配負(fù)載時(shí)的輻射方向圖。其中在XOY平面內(nèi)，當(dāng)左端II饋電時(shí)，最人輻射方向?yàn)樽笙路?5。：當(dāng)右端II饋電時(shí)，最人輻射方向?yàn)橛蚁路?5"。由此可知，輻射方向圖在XOY面內(nèi)基本互補(bǔ)，這有利于實(shí)現(xiàn)方向圖分集，進(jìn)而提供較人的分集增益。120240SOOYO7(a)(b)圖5-4實(shí)際測(cè)量的天線輻射方向圖(a)左端口接激勵(lì);(b)右端口接激勵(lì)圖5-5(a)和5-5(b)分別給出了在2.3?2.7GHz和3.0?3.8GHz頻率范【韋I內(nèi)天線的仿真增益曲線。其結(jié)果是在左端II接激勵(lì)，右端II接匹配負(fù)載的情況卜得到的。由圖5?5(a)可知,在2.4~2.484GHzWLAN頻段內(nèi)最大增益是3.24dBi,最大波動(dòng)幅度為0.044dBi;由圖5-5(b)可知,在3.4?3.69GHzWiMAX頻段內(nèi),最大增益和最人波動(dòng)幅度分別是2.22和0.72dBi。天線具有較人的增益及平緩的變化，能夠滿足無(wú)線通信的需要。(mp)-..-=-士(mp)-..-=-士22 23 24 25 26 2.7 2.8如率(GHz)(a)

25(b)圖5-5天線的仿真增益曲線圖(a)2.3?2.7GHz頻率范圉;(b)3.0~3.8GHz頻率范圉天線的分集性能是MIMO天線的一個(gè)歪要的指標(biāo)。常常用何絡(luò)相關(guān)系數(shù)ECC來(lái)評(píng)價(jià)MIMO天線分集性能的好壞。對(duì)于兩天線組成的MIMO天線系統(tǒng)而言，包絡(luò)相關(guān)系數(shù)可以通過兩種途徑獲得：輻射方向圖或者端IIS參數(shù)。其中通過輻射方向圖來(lái)獲得包絡(luò)相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式如式(4?4)所示。由于此種方法需要進(jìn)行繁瑣的數(shù)值積分運(yùn)算，所以往往通過端IIS參數(shù)來(lái)計(jì)算包絡(luò)相關(guān)系數(shù)。當(dāng)由兩個(gè)單天線組成的MIMO天線系統(tǒng)工作于一個(gè)無(wú)耗且各向同性的電磁壞境中時(shí),通過端IIS參數(shù)計(jì)算包絡(luò)相關(guān)系數(shù)的公式如式(4?5)所示。按式(4-5)11算得出在2.3?4.0GHz頻率范I韋I內(nèi)的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)如圖5?6所示。F1圖可知，在2.4?2.4X4GHZWLAN和3.4?3.69GHzWiMAX兩個(gè)工作頻段內(nèi)，天線的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)ECC在0.002以下,遠(yuǎn)小于0.5,可以提供較好的分集性能。圖46包絡(luò)相關(guān)系數(shù)隨頻率的變化情況53天線性能分析隨著移動(dòng)終端體積的進(jìn)一步減小，在設(shè)計(jì)MIMO天線時(shí)采用單一的去耦技術(shù)有時(shí)難以達(dá)到令人滿意的結(jié)果。本章通過采用分離式地平面結(jié)構(gòu)和寄生輻射單元兩種去耦技術(shù)，成功設(shè)計(jì)出了一款適用于移動(dòng)終端的雙頻段MIMO天線。其中T形分支結(jié)構(gòu)就是這里的寄生輻射單元。對(duì)多天線之間的互耦影響較人的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)為H和W（如圖5-1所示）。圖5?7給出了T型分支結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)H對(duì)天線S參數(shù)的影響情況。從圖中可以看出H的變化對(duì)天線SH和Sd的影響結(jié)果為：對(duì)3.4?3.69GHzWiMAX高頻段的影響均較?。粚?duì)2.4?2.4X4GHzWLAN低頻段的影響較人。這主要由于低頻段村應(yīng)較長(zhǎng)的工作波長(zhǎng)，高頻段對(duì)應(yīng)較短的工作波長(zhǎng)的緣故造成的。對(duì)于2.4?2.4X4GHZWLAN頻段，當(dāng)H變化時(shí)有如卞規(guī)律：當(dāng)H變?nèi)藭r(shí)（T型分支結(jié)構(gòu)與分離地平面之間的間距變?。?，SH和Sd取得最小值所對(duì)應(yīng)的頻率均向低頻端移動(dòng)；反之，當(dāng)H變小時(shí)（T型分支結(jié)構(gòu)與分離地平面之間的間距變?nèi)耍?，SH和Sd取得聶小值所對(duì)應(yīng)的頻率均向高頻端移動(dòng)。與此同時(shí)，取得S"和Sd最小值的人小也發(fā)生了變化，即匹配和去耦程度同時(shí)隨著H的變化而受到影響。頻h(GHz)圖5-7II對(duì)MIMO天線S參數(shù)的影響圖給出了天線S參數(shù)隨W變化的仿真結(jié)果。由圖中結(jié)果可知，與H對(duì)S參數(shù)的影響不同，W的變化對(duì)高低頻段均有顯著的影響。變化的W對(duì)2.4?2.4X4GHZWLAN低頻段的影響結(jié)果是使諧振頻點(diǎn)左右移動(dòng)；對(duì)3.4?3.69GHzWiMAX高頻段的影響結(jié)果是匹配程度的好與壞。當(dāng)W變小時(shí)，天線隔離效果嚴(yán)重變差；當(dāng)W變?nèi)藭r(shí)，隔離效果變化不是很明顯。由此可知，T形分支結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)天線取得較低的耦合相當(dāng)重要。這里的T形分支結(jié)構(gòu)通過產(chǎn)生附加的電磁耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的去耦。與此同時(shí)，T形分支也將對(duì)天線的匹配產(chǎn)生一定的影響。因此，在天線設(shè)計(jì)過程中，T形分支結(jié)構(gòu)中關(guān)健參數(shù)的優(yōu)化至關(guān)重要。W=5.5mmW=6mm—S,.W=6.5mmS.,.W二6mm—S,..W=6.5mmW=5.5mmW=6mm—S,.W=6.5mmS.,.W二6mm—S,..W=6.5mm—S…W=55mm頻率(GHz)圖5-8W對(duì)MIMO天線S參數(shù)的影響為了進(jìn)一步詳細(xì)說明分離式接地平面弓寄生輻射單元(T形分支結(jié)構(gòu))的去耦效果，圖5-9(a)和5-9(b)分別給出了該雙頻MIMO天線在2.45GHz和3.55GHz時(shí)表面電流的分布情況。圖中的結(jié)果是在左端II接激勵(lì)、右端II接50。匹配負(fù)載情況卜得到的，其中紅顏色代表了較人的電流分布：藍(lán)顏色代表了較小的電流分布。由于低頻段對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，高頻段對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)較短的緣故，該MIMO天線在低頻段比高頻段具有更強(qiáng)的電磁耦合。圖中結(jié)果顯示，無(wú)論在高低頻段，從左邊輻射單元耦合到右邊輻射單元的耦合電流都較小，均能有效去耦。Jsurf[A/fn]Jsurf[A/fn]Jsur[A/n]S.,4227e*001S.0281^*001S.6331e+0015.23878*001u.Wge+S&l??U93e*001*.0546?*0013.6600e*0013.2653e*00i?70Se+001Z.H7S3e*001乙<m2e+03>li.6865e+0011.2919e*0018.-9717e-t0O0S?Sge+S$01.0781e