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三通交叉形结构的微带馈送印刷超宽带分集

天线设计

Raj Kumar , Gopal Surushe

摘要

提出了一种用于多输入多输出（MIMO）/分集应用的紧凑型超宽带（UWB）天线系统。天线系统是一种微带结构，具有两个类似的三角形辐射元件和一个公共接地平面。辐射馈源由锥形馈电激发，以实现更好的阻抗匹配。在接地平面中添加了T字形短截线以增加两个辐射器之间的隔离度。拟议的天线系统的整体尺寸为46mmtimes;32.6mmtimes;1.6mm。测得的阻抗带宽（反射系数lt;-10 dB）是从1.8 GHz到远远超过12 GHz，覆盖整个UWB区域。在UWB区域中实现了15 dB或更佳的隔离度。天线系统的分集增益接近10 dB，并且在工作频带中，包络相关系数远低于0.2。同时还进行了参数研究，以检查天线在反射系数和对不同参数的隔离方面的灵敏度。这些特性表明，所提出的天线适用于MIMO /分集应用。

关键词：单极天线；超宽带天线；多输入多输出；频道衰落；天线分集

第一章 绪论

近来，由于诸如高数据传输速率，低功耗，低成本和大容量的优点，已经对超宽带的新兴技术进行了很多努力。联邦通信委员会（FCC）已授权将3.1–10.6 GHz频谱用于UWB应用[1]。由多径环境引起的信道衰落是无线通信系统中的主要问题。天线分集是减轻信道衰落并提高传输质量的有效技术。使用UWB组合多个天线以实现多输入多输出（MIMO）是一种实现大约1 GB / s的高数据速率的好方法。该技术具有在发射器和接收器终端使用多个天线的优势。使用空间极化和模式分集技术可以实现无线链路的显着改善。MIMO系统的性能取决于各种参数，例如天线元件的数量，天线几何形状以及这些元件之间的间隔。

在过去，已经设计并报告了许多MIMO /分集天线系统[2-10]。在[2]中，两个对称天线并排放置，其总尺寸为35 mmtimes;40 mm。使用树状结构，该结构的阻抗带宽为3.1 GHz至10.6 GHz。在工作频段内隔离度为16 dB。在[3]中，提出了一种使用非对称共面馈电结构的UWB MIMO天线。天线的总尺寸为43.5times;43.5 mm2，由阶梯状矩形贴片组成。栅栏式结构将工作带宽从3.1 GHz提高到10.6 GHz，隔离度超过15 dB。在[4]中，提出了尺寸为62 mmtimes;45 mm的分集天线系统。该系统由两个方形单极天线组成，其工作频带为3.3-10.4 GHz。采用T形短截线以使隔离度优于18 dB。在[5]中的天线显示出模式分集和极化分集，并覆盖了3.1–5.15 GHz的较低UWB。该分集天线的隔离度优于26 dB。在[6]中，提出了用于模式分集的天线系统，其尺寸为80 mmtimes;80 mm。天线系统的阻抗带宽为3 GHz至12 GHz。为了实现隔离效果，最好放置15 dB以上的倾斜短路。在[7]中，提出了用于极化分集的天线系统，其尺寸为48 mmtimes;48 mm。该天线系统的阻抗带宽为2.3 GHz至11 GHz，隔离度在工作频带中优于15 dB。提出了[8]中的MIMO天线，尺寸为21毫米times;38毫米。天线由两个具有T形接地平面的准自互补单极子组成。天线系统的阻抗带宽为3.1 GHz至10.6 GHz。通过在接地层中放置两个插槽，可以在工作频带中实现优于15 dB的隔离度。在文献[9]中提出了一种尺寸为48 mmtimes;115 mm的空间分集天线，方法是正交放置两个单极子。天线工作在2.3 GHz至7.7 GHz之间，隔离度优于20 dB。在[10]中，设计了用于MIMO应用的40 mmtimes;68 mm天线系统。天线系统的阻抗带宽为3.2 GHz至10.6 GHz。使用Y形短截线可实现优于15 dB的隔离度。以上讨论的大多数天线具有相对较大的尺寸，并且也不覆盖较低的频率。

在本文中，设计并通过实验验证了紧凑型MIMO天线系统。拟议的天线系统的阻抗带宽为1.8 GHz至远远超过12 GHz。在接地平面中添加了一个T形短截线，以实现在工作频带中优于15 dB的隔离。表1给出了上述MIMO天线系统与拟议天线的比较。从表中可以看出，所提出的天线具有较小的尺寸和最低的工作频率。

表1所报告的天线与所提议的天线的比较，lambda;0：最低工作频率下的波长。

图1 天线几何图

第二章 天线几何

具有直角坐标系的天线几何形状如图1所示。天线印刷在FR-4基板上，介电常数为4.4，厚度为1.6 mm，损耗角正切为0.02。天线系统由两个微带馈送的相似的三角形辐射贴片组成。两个三角形辐射贴片相对于y轴对称放置，并相距14 mm。辐射贴片由锥形微带线馈电，以实现更好的阻抗匹配。混合辐射贴片的下角以增加贴片中的电流，即改善工作频带中的回波损耗，尤其是在中频范围内。地面和辐射贴片之间的距离经过了优化，以实现最大的阻抗匹配。为了改善两个辐射贴片之间的隔离度，在接地平面上蚀刻了一个窄缝，并添加了一个附加的T形短截线。该T形短截线充当反射器，因此减少了两个辐射贴片之间的相互耦合。最后，天线尺寸进行了优化，以实现最大的阻抗匹配和隔离。表2给出了优化尺寸。

第三章 天线的演变

这两个天线共享一个公共接地平面，如图1所示。图2显示了通过逐步改变接地实现的回波损耗和隔离度的改善。在图2a中，图1适用于具有线性接地面的天线，并且在所有频率下的回波损耗约为10 dB。

由于接地平面上的切口，混合了接地切口的内边缘以及混合了接地平面的外边缘，因此实现了较高频率下回波损耗的重大改善。如图2a和b所示，图4显示了回波损耗和隔离度的最佳结果。回波损耗为12 dB的工作频带从3 GHz开始，超过12 GHz，隔离度优于4 GHz的15 dB。为了改善整个工作范围内的隔离度，在地面上增加了一个T形反射器。通过添加此垂直条来修改带有切口和边缘混合的地面，因此，在9 GHz处的回波损耗仅触及-10 dB的线，隔离度为15 dB（不包括3 GHz至4.1 GHz的范围）。在反射器的顶部添加一条水平线以使其呈T形；这改善了较低频带中的隔离度。最后，在T形短截线中添加第二条水平线，它改善了回波损耗（图8c），如图2c所示。

天线的尺寸应选择为在3.5 GHz附近具有第一（或基本）谐振，以便工作频带从3.1 GHz开始。对于图2c中最后一级的回波损耗特性，在4 GHz处看到的谐振归因于三角形辐射斑片的作用类似于单极子。单极子的谐振频率由下式给出：

其中c是自由空间中的光速，h是单极高度。对于拟议的天线，根据图1，h = L2 g，它等于表2中给出的尺寸的19.8毫米。使用该h值，可以计算出谐振频率为3.78 GHz，与仿真值非常吻合。4 GHz附近的共振。在较高频率下看到的谐振是基本谐振的谐波，而在2 GHz附近（在图2c和图3a中）看到的谐振则是由于扩展了接地平面而产生的，所有这些谐振的合并给出了超宽带特性天线的。

表2天线尺寸（mm）。

图2.天线逐步反射的仿真反射系数和隔离：（a）| S11 |，（b）| S12 |，（c）| S11 |，d）| 12 |

第四章 结果与讨论

天线系统具有优化的尺寸，使用R＆S矢量网络分析仪ZVA 40来测量所建议天线的反射系数和隔离度，所制造原型的正视图和后视图如图3所示。图.4a显示了天线系统两个端口的反射系数，从图中可以看出，两个端口的测量阻抗带宽为1.8 GHz至16.7 GHz。实测结果与仿真结果吻合良好，实测结果与仿真结果之间的细微差异可能是由于制造公差，基板中的杂质以及SMA连接器质量低下所致。图4b显示了两个端口之间的隔离。从图中可以看出，从2.8GHz开始，UWB中实现了超过15 dB的隔离。再次，测量结果和模拟结果吻合良好。

图3 拟议的UWB MIMO /分集天线系统的照片：（a）前视图，（b）后视图

图4 天线的仿真和测量结果：（a）回波损耗，（b）隔离度。

第五章 电流分布

图5显示了所建议天线的端口1在任意选择的2.3 GHz，3.5 GHz，6.6 GHz和9.7 GHz频率下的电流分布。由于两个天线的几何形状相似，因此仅显示了端口1的电流分布。该图显示了不带T形短截线和带有短截线的天线的电流分布，以验证添加反射式短截线以改善天线性能的重要性。在短截线中，电流从端口1转移到端口2，然后电流被反射的短截线吸收。可以看出，短截线的主要作用是在3.5 GHz下观察到的较低频率。反射器主要改善了较低频率下的隔离度，并且在图2d中使用散射参数也可以看到。

第六章 辐射方向图

图6显示了建议的两端口分集天线的测量和模拟辐射方向图。显示了端口1和端口2在4 GHz，6 GHz，8 GHz和10 GHz四个不同频率的辐射方向图，并且在UWB中相对一致。由于两个天线的对称性，两个端口的辐射方向图在E（y-z）平面中相似，而H（x-z）平面中的辐射方向图是镜像。这种行为对于模式多样性很有用。 E平面显示八个类似结构的图形，而H平面显示全向性质。

在图6c和d中绘制了天线的仿真和测量的峰值增益以及仿真的辐射效率。在图中，还绘制了单个天线的模拟增益和辐射效率，以进行比较。可以看出，两种情况的增益几乎相同，除了9 GHz附近，其中单个天线的增益略小。两个端口天线的效率略低于单端口天线的效率，这可能是由于扩展接地平面中的导体损耗增加所致。

图5. Port-1在（a）2.3 GHz，（b）3.5 GHz，（c）6.6 GHz，（d）9.7 GHz时天线的电流分布

第七章 多样性参数

7.1 包络相关系数

可以通过计算包络相关系数来获得天线的分集性能。当天线用于分集应用时，在两个端口接收的信号不应相互关联，否则会产生干扰和串扰。包络相关系数可测量两个端口信号之间的这种相关性，并显示两个通信通道如何相互隔离，用pe表示。可以使用等式（1）| 11|从远场辐射方向图计算得出。对于良好的多样性性能，该值应小于0.5 [12]。

图6.（a）端口1和端口2的实测和模拟E平面共面和交叉辐射图。（b）端口1和端口2的实测和模拟H面同面和交叉辐射图。（c）两个端口天线和单个天线的峰值增益比较。（d）两端口天线和单天线的辐射效率比较。

在等式中（1），XPR是与环境有关的交叉极化比，Gtheta;，Gϕ是功率增益模式，Ptheta;，Pϕ是入射功率波的角密度函数的分量。模拟的包络相关系数如图7a所示。在仿真中，考虑了四个不同的环境：XPR = 0 dB的统一环境，XPR = 1 dB的室内环境，XPR = 5 dB的室外环境和WINNER（无线世界倡议新电台）。

图6.（续）

XPR = 9.05 dB [11]的环境。在所有情况下，ECC均小于0.2。对于均匀环境，还可以使用公式（2）[13]根据S参数计算ECC。使用S参数对ECC进行的仿真和测量如图7b所示，二者均低于0.004。

（2）

当环境不均匀时，不能使用根据S参数计算包络相关系数的方法。在这种情况下，仅辐射方向图可用于计算pe。但是，S参数方法更容易实现，并且给出合理准确的结果，因此被更推荐。

图6.（续）

7.2 多样性增益

天线的增益给出了给定方向上的强度与各向同性辐射强度的比值，高增益给出了定向辐射图。分集增益（dB）给出了使用分集方案时降低的发射功率的量。包络相关系数是影响分集增益的因素，如等式（3）中所示，

（3）

图8显示了仿真和测量的分集增益的比较。分集增益高于9.98 dB，图中几乎没有变化。较高的分集增益归因于较高的天线效率，这表明天线之间的相互耦合较低。从图7和8可见，分集增益的变化对应于相关系数的变化。

图7（a）使用辐射方向图模拟包络相关系数（b）使用S参数模拟并测量包络相关系数。

7.3 容量损耗

除相关系数和分集增益外，容量损耗是描述MIMO天线分集性能的另一个参数。公式（4）中所示的公式使用S参数|S11|，|S22|，|S12|和|S21|给出了容量损失。系统的性能下降量由容量损失给出[14]

图8 测量和模拟的分集增益

图9显示了模拟和测量的容量损失。测量的容量损失低于0.3 bps / Hz，这与模拟结果非常相关。从图6和图9可以看出，MIMO天线具有良好的性能，相互耦合较少，包络相关系数和容量损耗较低。

图9 模拟和测量的容量损失

第八章 参数研究

8.1 贴片和接地之间的间隙的变化g

基板相对侧上的接地和贴片之间的间隔是获得50 Q阻抗的天线设计中的重要因素。随着间隙g的减小，回波损耗（| S11 |）在3.5 GHz至7 GHz的频率范围内增大，而g的增大则使| S11 |减小。在3 GHz和6 GHz的高频段上（图10）。接地与贴片之间的间隔不会对隔离产生太大影响，因此未显示。间隙对天线阻抗的实部和虚部的影响如图10b和c所示。对于6 GHz附近的最小间隙，虚部为正，而实部也具有较高的值。在此间隙的大多数其他频率上，实部小于或接近50欧姆，而虚部为负。随着间隙的优化，实部移动到50欧姆，而虚部移动到0欧姆。

8.2 间距L4的变化

从天线顶部到T形反射器之间的水平条带位置由参数（L4 L7，）给出。保持L不变且L4不变，该条向下移动到更靠近地面的位置。这减少了中频范围内的回波损耗，并且隔

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