面向毫米波MIMO 的方向圖去耦印刷偶極子天線

南敬昌 ,曹京濤 ,楊楠

(1.遼寧工程技術大學 電子與信息工程學院,遼寧 葫蘆島 125105;2.遼寧省無線射頻大數據智能應用重點實驗室,遼寧 葫蘆島 125105;3.中山大學電子與信息工程學院,廣東 廣州 510006;4.廣東省光電信息處理芯片與系統重點實驗室,廣東 廣州 510006)

在信息技術日新月異的當下,人們對無線通信系統大容量、高速率、低延時的需求越發迫切。毫米波MIMO(Multiple-Input Multi-Output)技術兼具毫米波通信的高速、低延遲特性[1-3]以及MIMO 多天線技術在提升通信系統容量、提高頻譜利用率方面的優勢[4-5],已經成為5G、6G 通信中的關鍵技術。作為電磁波的收發設備,毫米波MIMO 天線在整個通信系統中發揮著重要作用的同時,也面臨著天線單元間的耦合問題[6]。天線間的電磁耦合會引起端口隔離度的降低、天線單元方向圖畸變、匹配惡化、系統效率下降等一系列問題,從而對整個通信系統的容量帶來不利影響[7-8]。因此,開展毫米波MIMO 天線的去耦研究對于提升整個通信系統的質量有著重大意義。

關于MIMO 天線去耦,學者們已經進行了大量的研究[9-12]。2019 年,王衛民等將一種通過曲折金屬條相連的蘑菇形EBG 結構用于雙頻MIMO 天線去耦,3.48 GHz 和4.88 GHz 兩個工作頻段對應的端口隔離度分別被提升至26 dB 和 44 dB[13]。2019 年,Jafargholi 等利用容性加載環的表面波衰減特性,在E面耦合的1×2 微帶天線中間放置由容性加載環組成的超材料墻實現去耦,端口隔離度可達40 dB[14]。2019年,李敏等提出一種由串、并聯電容器組成的L 形去耦匹配網絡用于平行放置的1×2 單極子天線去耦,端口隔離度可從5 dB 提升至30 dB[15]。2022 年,楊晨等使用介質塊包裹單極子天線,利用介質塊內部產生的場谷實現了大于20 dB 的端口隔離度[16]。以上這些去耦研究主要關注點在于天線端口隔離度的提升,卻忽略了方向圖的抖動、波束偏轉等畸變問題[13-16]。

在傳統的端口去耦基礎上,通過消除MIMO 天線單元輻射方向圖因電磁耦合而產生的波束偏轉、凹陷等畸變失真使天線單元的方向圖恢復至均勻、一致的狀態,又被稱為MIMO 天線的方向圖去耦[17]。2020年,孫利濱等使用共模差模抵消法在1×2 平面倒F 天線的去耦設計中實現了超過22 dB 的端口隔離度,且天線單元的輻射方向圖無偏、無畸變[18]。2022 年,仝昌武等基于場疊加原理利用去耦金屬柱對兩個零間距的介質諧振器天線實現了方向圖去耦,工作在模式的天線單元的輻射方向圖被修復成均勻一致的狀態,且最大輻射方向被糾正為沿著正天頂[17]。在該去耦設計中,通過去耦金屬柱產生的感應場與耦合天線單元內的原始感應場具有等幅反相關系。由于耦合單元內的感應場可以被抵消干凈,因此同時實現了方向圖去耦和端口去耦。到目前為止,已經有不少方法可以在2 元MIMO 天線中實現方向圖去耦,但在更高維度的MIMO 天線去耦設計中,天線單元方向圖仍舊存在著偏轉、凹陷等畸變[19]。

基于以上問題,本文提出了一種基于短路枝節的方向圖去耦方法,在1×4 MIMO 印刷偶極子天線的設計中可對發生畸變的天線單元輻射方向圖進行波束糾偏與凹陷修復,實現方向圖去耦。在偶極子輻射臂與基片集成波導(Substrate Integrated Waveguide,SIW)饋電結構之間引入短路枝節,通過調節耦合單元上感應電流的幅度和相位最終修復了畸變的方向圖。最后在5G 毫米波n260 頻段設計、制作了方向圖去耦的1×4 MIMO 印刷偶極子天線實物,實測結果與理論仿真結果吻合良好,驗證了提出的方向圖去耦方法的有效性。

1 方向圖去耦的1×4 MIMO 偶極子天線設計

1.1 天線結構

圖1(a)展示了提出的方向圖去耦的1×4 MIMO 印刷偶極子天線結構示意圖,天線被設計在37～40 GHz的5G 毫米波n260 頻段[20]。天線板材為0.508 mm 厚度的RO4003C,其相對介電常數和損耗角正切分別為3.38 和0.0027。偶極子天線的輻射臂印刷在上下基板表面,采用基片集成波導(Substrate Integrated Waveguide,SIW)作為巴倫實現饋電[21]。相鄰天線單元的中心間距固定為SIW 的寬度Wsiw(0.47λ0,λ0為工作中心頻率38.5 GHz 所對應的自由空間波長),偶極子天線通過平行放置組成E面耦合的1×4 MIMO 陣列。偶極子天線的輻射臂與SIW 地板之間通過短路枝節相連,引入該短路枝節可調節耦合單元輻射臂上感應電流的幅度和相位,從而實現方向圖去耦。

圖1 1×4 MIMO 偶極子天線結構Fig.1 Configuration of 1×4 MIMO dipole antennas

為了便于對比去耦效果,在圖1(b)中給出了未進行方向圖去耦設計的參考天線,天線單元工作中心頻率以及中心間距均和圖1(a)中MIMO 天線保持一致,SIW 饋電結構也有著相同的設計尺寸。圖1(a)、(b)中MIMO 天線的設計參數均在表1 中給出。

表1 天線結構參數表Tab.1 Antenna structure parameters mm

1.2 天線性能

使用三維電磁仿真軟件ANSYS HFSS 完成了MIMO 天線的S參數和方向圖的仿真計算。圖2(a)、(b)中分別展示了1×4 MIMO 印刷偶極子天線在方向圖去耦前后的兩種情形所對應的S參數,反射系數在37～40 GHz 范圍內均優于-15 dB。如圖2(a)所示,在目標設計頻段37～40 GHz 范圍內,未進行方向圖去耦的相鄰端口間S21和S32為-14.6～-15.6 dB。而方向圖去耦后,如圖2(b)所示,S21則改善至-19.8～-20.4 dB,平均可獲得5 dB 的端口隔離度提升。方向圖去耦后的S32也改善至-17.4～-18.5 dB,平均獲得3 dB 左右的隔離度提升。非相鄰的端口S31在未進行方向圖去耦時為-22 dB,方向圖去耦后則改善至-22.8～-24.2 dB,隔離度得到2 dB 左右的略微提升。綜上,提出的方向圖去耦的方法對于相鄰端口的隔離度有著3～5 dB的增強效果。端口隔離度大于17 dB,能夠滿足MIMO多天線系統對于15 dB 端口隔離度的要求。

圖2 1×4 MIMO 偶極子天線仿真S 參數Fig.2 Simulated S-parameters of 1×4 MIMO dipole antennas

為了直觀展示提出的1×4 毫米波MIMO 印刷偶極子天線的方向圖去耦效果,在圖3 中給出了各個天線單元在38.5 GHz 頻點處的E面輻射方向圖的仿真對比結果。天線1 的E面方向圖去耦前后的對比如圖3(a)所示。由于天線間的電磁耦合,方向圖去耦前的天線1 的E面最大輻射方向相對正天頂方向(θ=0°)偏離了+30°。在進行方向圖去耦后,天線1 的最大輻射方向則被糾正到近似沿著正天頂方向的-2°。類似的波束糾偏效果也可在圖3(d)中觀察到,天線4 的最大輻射方向從-32.5°被糾正至近似沿著正天頂方向的+2°。因此,方向圖去耦得以實現。

圖3 1×4 MIMO 偶極子天線去耦前后的E 面仿真結果Fig.3 Simulated E-plane of 1×4 MIMO dipole antennas with and without radiation pattern decoupling

在圖3(b)、(c)中分別對比了天線2 和天線3 在方向圖去耦前后的E面方向圖。在方向圖去耦前,天線2 和天線3 的波束在天頂方向附近會由于電磁耦合而形成凹陷,從而導致該處增益相比最大輻射方向出現了1.5～2 dB 的下降。并且,此時天線2 和天線3 的最大輻射方向分別偏離天頂方向+44°和-54°。在方向圖去耦后,天線2 和天線3 的方向圖最大輻射方向均被嚴格恢復至正天頂,且波束對稱性良好。

表2 中詳細列出了方向圖去耦前后的1×4 MIMO印刷偶極子天線各個天線單元E面波束在37,38.5,40 GHz 三個頻點處的最大輻射方向所在角度,即波束偏轉角?？梢钥闯?在未進行方向圖去耦的參考天線中,各個天線單元E面波束的最大輻射方向在不同頻點處均偏離正天頂方向,對應的波束偏轉角在±19°～55°間。在進行方向圖去耦后,天線單元的波束偏轉角則被糾正至±6°以內,其中天線2 和天線3 在38.5 GHz 和40 GHz 頻點處被嚴格恢復至θ=0°的正天頂方向,實現了方向圖的糾偏。

表2 方向圖去耦前后天線1～4 的E 面波束偏轉角Tab.2 E-plane tilted angle of antenna 1-4 with and without radiation pattern decoupling

1.3 方向圖去耦原理分析

引入短路枝節后,一方面可以將耦合單元的感應電流短路到地面從而使其幅度得到衰減,另一方面則可以對耦合單元上感應電流的相位進行調節。為驗證方向圖去耦原理,在圖4 中給出了方向圖去耦前后的1×4 MIMO 印刷偶極子天線在38.5 GHz 處的表面電流分布示意圖。天線任意端口被激勵時,其余端口均端接50 Ω 匹配負載。如圖4(a)所示,在方向圖去耦前,當天線1 被激勵時,相鄰偶極子輻射臂上會因耦合出現強烈的反相感應電流,這部分反相感應電流在遠場區域與被激勵的天線1 的場相互作用,從而導致天線1 的輻射方向圖發生畸變。圖4(b)中,在加入短路枝節后,耦合單元的輻射臂上的反相感應電流被大幅削弱。通過優化短路枝節的引入位置,可調節耦合單元輻射臂上感應電流的幅度和相位,進而實現方向圖去耦。天線2 被激勵時,類似的電流分布結果也能在圖4(c)、(d)中觀察得到,驗證了短路枝節實現方向圖去耦的原理。

圖4 38.5 GHz 1×4 MIMO 偶極子天線的電流分布Fig.4 Current distribution of 1×4 MIMO dipole antennas at 38.5 GHz

2 天線測量與分析

為驗證設計,制作了方向圖去耦的1×4 毫米波MIMO 印刷偶極子天線樣機,實物照片如圖5(a)所示。為便于測試,制作了接地共面波導(GCPW,Grounded Coplanar Waveguide)轉SIW 的4 端口饋電網絡。測試所用接頭為2.4 mm-Female 免焊連接器,其理論插入損耗小于0.05 dB。由于天線樣機的基板整體機械強度欠缺,為了避免測試過程中基板發生形變而引入額外的測量誤差,故使用了1 mm 厚度的金屬墊片用作機械支撐,如圖5(b)所示。圖5(c)展示了天線實物對應的仿真模型,HFSS 的計算結果表明金屬墊片并不會對天線的輻射方向圖和S參數測試產生影響。天線S參數驗證使用的是Agilent N5247A 矢量網絡分析儀,天線的輻射方向圖和增益在微波暗室中完成驗證,測試場景如圖5(d)所示。在測試遠場參數時,天線任意端口在被單獨激勵時,其余端口均連接50 Ω 匹配負載。

2.1 S 參數

圖6 展示了方向圖去耦的1×4 毫米波MIMO 印刷偶極子天線實測與仿真S參數對比結果,實測與仿真結果均已經包含饋電網絡的影響。實測與仿真之間吻合良好,輕微的差異主要來自天線的加工誤差以及儀器的測量誤差。每個天線單元的S11<-10 dB,帶寬均覆蓋5G 毫米波n260 (37～40 GHz)目標設計頻段。其中,天線2 和天線3 的反射系數測試結果與仿真之間有著0.3 GHz 的最大誤差。相對于工作中心頻率38.5 GHz 而言,該誤差僅為0.7%,這在天線仿真與實際測量結果對比中可以忽略不計。在37～40 GHz 范圍內的相鄰端口隔離度實測大于23.5 dB,其中|S21| 可超過28 dB。

2.2 輻射方向圖與增益

圖7 給出了方向圖去耦的1×4 MIMO 印刷偶極子天線各個天線單元在38.5 GHz 頻點處的E面、H面輻射方向圖,實測和仿真結果吻合良好。天線1 和天線4 的E面實測最大輻射方向均沿著正天頂方向,驗證了提出的方向圖去耦方法的有效性。天線2 和天線3的E面在38.5 GHz 處最大輻射方向分別偏離正天頂方向16°和-10°,與正天頂方向上的增益差分別為0.7 dB和0.8 dB。相較于偶極子天線而言,測試環節所引入的饋電網絡和連接器有著無法忽視的體積,由之引入的散射會不可避免地對天線輻射方向圖產生抖動、波束偏轉等不利影響。類似的結果可在文獻[22]中觀察到。

圖8(a)～(d)中分別給出了天線單元1～4 所對應的實測增益與仿真結果的對比曲線圖,實測與仿真之間的整體趨勢基本一致且有著良好的吻合度,天線單元實測平均增益為2.5 dBi。值得注意的是,理想情形下的SIW 端射半波印刷偶極子天線增益是4 dBi,實測增益偏低主要是饋電網絡引入的額外插入損耗所致。

圖8 仿真與實測增益Fig.8 Simulated and measured gain

在37～40 GHz 的目標頻段內,增益實測結果與仿真值之間的最大差異為1 dB,這主要來自天線在測量過程中的對準問題以及儀器的測量誤差。除此之外,測試增益曲線自身也有一定程度的抖動,抖動范圍在1 dB 以內。這種程度的增益測試差異和抖動在毫米波頻段的天線設計中屬于可以接受的良好范圍之內[6,23]。

2.3 性能對比

將本文提出的方向圖去耦的1×4 毫米波MIMO 印刷偶極子天線與近年發表的文獻相關工作進行對比,如表3 所示。文獻[12]使用陣列去耦表面在1×8 微帶天線中實現方向圖去耦和超過25 dB 的隔離度,但陣列去耦表面需要放置在天線上方0.3λ0處,而本文基于短路枝節提出的去耦方法則不需額外犧牲天線的剖面高度。且陣列去耦表面主要針對的是端口去耦,并不能確保端口去耦后的輻射方向圖一定是無畸變的[19]。相比文獻[17],本文提出的方向圖去耦方法具備可擴展性。本文和文獻[14-16]都獲得超過20 dB的端口隔離度,但相比之下,本文提出的1×4 MIMO印刷偶極子天線可在更高維的線陣中獲得無偏、無畸變的方向圖。

表3 天線性能參數對比Tab.3 Comparison of antenna performance parameters

3 結論

本文提出了一種方向圖去耦的1×4 毫米波MIMO印刷偶極子天線。在偶極子的輻射臂和地板之間的適當位置引入短路枝節,通過調節耦合單元輻射臂上感應電流的幅度和相位實現了方向圖去耦。在37～40 GHz 目標頻段內,實測端口間隔離度超過23.5 dB,最高可達30 dB。發生波束偏轉的天線單元輻射方向圖的最大輻射方向被糾正到正天頂,凹陷的輻射方向圖也得以修復,方向圖去耦得以實現。本文提出的方向圖去耦的1×4 毫米波MIMO 印刷偶極子天線端口隔離度良好,具有無偏、無畸變的方向圖,適合應用于毫米波MIMO 系統。