用于MIMO基站双极化天线单元设计及阵元互耦分析课件.docx
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用于MIMO基站双极化天线单元设计及阵元互耦分析课件
用于MIMO基站双极化天线单元设计及阵元互耦分析
王永巍1姜兴2侯轶3
(桂林电子科技大学信息与通信学院,桂林541004)
摘要:
利用缝隙耦合技术和双线馈电技术设计出了一种适用于移动通信中MIMO基站端的高增益、高隔离、双极化的H型缝隙耦合天线单元。
其结构简单,容易制作,成本低廉。
用三维电磁场仿真软件HFSS进行了仿真,并对天线进行了测试。
仿真结果与实验吻合较好,单元增益到达9.3dBi,端口隔离度低于-40dB,并基于矩量法分析了MIMO系统中天线阵元间的互耦作用,通过仿真得出了架设在有丰富的散射环境地方的基站天线阵最小阵元间距。
关键词:
双极化,缝隙耦合馈电,基站天线,耦合,矩量法
DesignofDual-polarizedAntennausedforMIMOBaseStationandAnalysisofArrayElementMutualCoupling
WangYongwei1JiangXing2HouYi3
(SchoolofInformationandCommunicationEngineering,GuilinUniversityofElectronicTechnologyGuilin541004)
Abstrate:
Ahigh-gain,highisolation,dual-polarizedcouplingofH-typeslotantennaisdesignedbyusingCouplingslottechnologyandtwo-gap-coupledfeedtechnologyforMIMOmobilecommunicationbasestation.Thesimplestructureistunable.Byusingthree-dimensionalelectromagneticfieldsimulationsoftwareHFSStosimulate,anantennaisdesignedandtested.Thesimulationresultsagreewellwiththemeasureddata,thegainis9.3dBiandtheportisolationislowerthan-40dB.BasedontheMOM,theanalysisfocusesonmutualcouplingbetweenthearrayelementsofMIMOsystems.Itgetsthesmallestbasestationantennaarrayelementsspacingwhichissetupinarichscatteringenvironmentbysimulation.
Keywords:
Dual-polarisation;Couplingslot;base-stationantenna;mutualcoupling;methodofmoments
1引言
移动通信业务在容量和质量上的不断升级,而且工作频带在移动通信中已经是非常拥挤,因此,必须采用先进的技术有效地利用有限的频率资源,满足高速率、大容量的业务需求;同时克服高速数据在无线信道下的多径衰落[1,2]。
MIMO技术就是基于上述目的而提出的新技术,并已成为目前无线通信领域的研究热点之。
MIMO技术能大大提高系统的容量,被视为未来无线通信中最有竞争力的技术之一,亦已被作为后3G、4G的候选技术。
MIMO系统的实现离不开基站和移动端多天线的研究,并且由于移动端天线受到体积、重量、成本等诸多限制,提高系统通信质量的技术和措施很多靠基站端天线来实现的。
本文综合运用了缝隙耦合技术和双线馈电技术设计出了一种结构为单层介质板、非常适用于移动通信中MIMO基站端的高增益、高隔离、双极化天线的H型缝隙耦合天线单元。
其结构简单,容易制作,成本低廉,并给出了天线的实测数据。
在MIMO系统中,相关性表现在两方面,一为信道多径的相关性,一为阵元之间的相关性,最终相关性问题是由这两方面共同影响的。
在假设信道多径之间独立的情况下,对于讨论阵元之间的相关性的问题,就得要求阵元间没有互耦或者互耦很小。
2基站天线单元结构设计
本文设计的天线结构如图1所示,天线由一层介质板加铝板组成。
辐射贴片用四根塑料螺钉支撑于介质板上方。
接地板和馈线分别位于介质板的上部和下部。
接地板上采用一对相互垂直的H型缝隙,使隔离度明显提高,降低了交叉极化。
铝板和介质板之间引入空气层,相当于减小了上层介质板的平均相对介电常数,降低了微带天线的Q值,从而达到了增加天线带宽的目的,同时也提高了天线的增益[3]。
微带贴片天线的口径耦合馈电方式是Pozar于1985年提出的[4],它很好地克服了微带天线传统馈电方式的许多缺点(如同轴线引入一较大的电感、馈电网络的寄生辐射等)。
在缝隙耦合结构的设计中包括介质层的选定、贴片的尺寸、耦合缝的尺寸和位置、馈电线的尺寸和相对位置,根据微带电路改进的传输线理论[5,6],可以初步确定贴片与两个缝隙的长宽和馈线调谐枝节的长度。
本实验选用的介质板为泰州市微波材料厂生产的价格低廉的型号为F4b-1、介电常数
=2.65、
=0.0005、厚度h=1mm的介质板。
图1单层馈电网络的双极化口径耦合贴片单元
3天线仿真与实测结果
用三维电磁场仿真软件HFSS对天线单元进行了仿真和优化,仿真得到天线两个端口的S参数如图2所示。
据仿真优化结果制作了天线模型如图3所示。
用AgilentN5230A矢量网络分析仪对天线阵的S参数进行了测试,测试结果如图4~图6所示。
图2天线端口S参数仿真结果
图3天线实物
通过实测与仿真结果比较,在频段2.11G~2.17G内实测S11都在-20dB以下,实测S22都在-30dB以下,及端口隔离度S12大于-40dB,实测图形与仿真值基本吻合,验证了本实验天线单元仿真的正确性。
并且实测结果优于仿真结果。
图4实测1端口反射系数
图5实测2端口反射系数
图6实测两端口隔离度
本实验对天线单元方向图进行了测试,图7给出了水平、垂直极化端口方向图的仿真与实测结果,图形表明仿真与实测结果相吻合。
实测水平极化增益为9.2dBi,垂直极化增益为9.17dBi,总增益9.3dBi。
图7天线单元方向图
4阵元间矩量法互耦分析
在天线阵中,由于单元间彼此靠近,一个天线阵元产生的场将改变其他阵元上的电流分布,使之不同于单元在自由空间孤立存在时的电流,从而导致天线输入阻抗发生变化,这就是互耦作用。
架设在室外的基站天线阵,各个单元间的距离很远,达到几十个波长,所以完全可以认为单元间的互耦可以忽略不计;而架设在有丰富的散射环境地方的基站天线阵,单元间的间距可能只有半个波长,所以可以利用基站天线不受空间限制的因素更好的确定单元之间的间距来降低阵元间互耦效应。
根据天线理论,当多个天线同时存在于空间时,它们之间会发生的电磁耦合。
其中任一个天线的阻抗由于受到周围其他天线的影响,将不同于它单独存在时的阻抗值;此时每一阵元的阻抗包括自身的阻抗(即自阻抗)和受其他阵元影响产生的互阻抗两部分,因而可用阵元间的互阻抗来表征阵元间的互耦。
所以,互耦的计算问题归根结底是天线阵阵元间互阻抗的计算问题。
设天线阵由细线天线组成,有以下假设成立[7]:
1)电流仅沿天线的轴线流动;2)表面上边界条件可应用于轴线上相关部分,如图8所示。
基于以上假设,与入射场相关的Pocklington积分方程为:
(1)
基函数为分段正弦函数:
(2)
天线上的电流可由下式表示:
(3)
把
(2)、(3)代入
(1)得:
(4)
式(4)中的{}表示分段正弦函数
,即在
与
间电流分布产生的场。
由部分积分近似计算得:
(5)
图8任意一段电流坐标示意图
采用点匹配法,选全函数:
(6)
将式两边求内积得:
(7)
将(7)代入
得:
(8)
(9)
求解方程(8)得
,即求得导线上电流分布。
所以,
(10)
就是包含互耦信息的广义阻抗矩阵,是不同段间互耦作用的量度。
5HFSS仿真验证互耦分析结果
本实验分析四单元阵列不同间距产生的互耦影响。
天线的中心频率为2.14G,
=140mm。
通过对不同阵元间距d的阵列的HFSS仿真,得出不间距对互耦的影响,因为受本身天线尺寸的影响,阵元间距的最小间距d=80mm。
实验分别对阵元间距d=0.57
、d=0.64
、d=0.7
、d=0.79
、d=0.86
、d=
的四单元线阵进行仿真,图9给出了二单元阵元示意图,不同极化端口隔离度基本在-40dB以下,其中影响互耦较大的是端口1、3和端口2、4。
图9二单元阵元示意图
(a)d=0.57(b)d=0.64
(c)d=0.7(d)d=0.79
(e)d=0.86(f)d=
图101、3和2、4同极化端口隔离度仿真图
图10分析了不同间距间的端口1、3(虚线)和端口2、4(实线)相互间隔离度,其中间距为d=0.57时,在频段内间距的隔离度只有十几个dB,互耦影响很大;d=0.64时,各个端口隔离度最大时都能在-20dB以下;d=0.7时,S14能到达-25dB以下,但是S23效果不理想,只能达到-20dB;d=0.79、d=0.86、d=,各个端口的隔离度效果很理想,都在-25dB以下。
实验从仿真的角度验证了矩量法分析阵元互耦理论。
达到了理想的效果。
通过分析互耦确定了阵元的间距最小为d=0.79。
从而为MIMO系统分析相关性提供了理想条件。
6结论
本文设计了一种结构简单,容易制作,成本低廉,适用于MIMO系统基站端的高增益、高隔离、双极化天线的单层介质板H型缝隙耦合天线单元。
天线单元实测增益达到9.2dBi,两端口隔离度在-40dB以下,满足设计要求。
并基于矩量法分析了MIMO系统中天线阵元间的互耦相互作用,通过软件仿真得出d=0.79时,架设在有丰富的散射环境地方的基站天线阵最小阵元间距。
参考文献
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ArtechHouse,2000.
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CRCPress,2002.
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936~939
[5]RameshGarg,PrakashBhartia,InderBah,letalMicrostripAntennaDesignHandbook.Norwood:
ArtechHouseInc,2001
[6]钟顺时.微带天线理论与应用.西安:
西安电子科技大学出版社,1991
[7]AdveSR,SarkarKT.CompensationfortheEffectsofMutualCouplingonDirectDataDomainAlgorithms[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation,2000,48(01):
86-94.
基于LTCC技术的Ka波段印刷振子阵列天线
王金洪王志刚延波
(电子科技大学,成都611731)
摘要:
本文在Ka波段应用LTCC技术设计了一个印刷振子阵列天线。
该天线集成在六层LTCC介质中,采用微带线到共面带状线的过渡结构(巴伦)从主辐射振子的两臂进行馈电。
主辐射振子的上、下两侧各有三个寄生振子作为引向器,使得天线主要从端射方向辐射,明显地提高了天线的增益。
背面的截断地可用作反射器来抑制背向辐射。
该天线获得了良好的仿真结果:
回波损耗大于10dB的相对带宽为9%(30GHz~32.8GHz),谐振频率为31.5GHz,谐振点处的最大增益为7.3dB。
关键词:
Ka波段,LTCC技术,印刷阵子阵列天线,巴伦
APrintedDipoleArrayAntennaatKa-bandBasedonLTCCTechnology
WangJinhongWangZhigangYanBo
(SchoolofElectronicEngineering,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu,611731)
Abstract:
Inthispaper,aprinteddipolearrayantennaatKa-bandbasedonLow-TemperatureCo-firedCeramics(LTCC)isproposed.Theantennaintegratedinsixsubstratelayersisfedbyamicrostriptocoplanarstriplinetransition(balun)fromthemaindipole’stwoarms.Thesixparasiticdipolesfollowingthemiandipoleactasdirectors,whichmaketheantennamainlyradiatefromtheend-firedirectionandimprovethegainoftheantenanobviously.Thebacksidetruncatedgroundactsasreflectorwhichcouldrestraintthebackradiation.Theantennaexhibitsagoodsimulationperformance:
thefractionalbandwidthof-10dBreturnlossis9%,from30GHzto32.8GH,anditsmaximumgainis7.3dBiattheresonantfrequencyof31.5GHz.
Keywords:
Ka-band;LTCCtechnology;Printeddipolearrayantenna;balun
1引言
随着雷达、电子对抗和通信技术的日益发展,通信设备的集成度越来越高,性能越来越好,这就对天线的小型化及高性能提出了更高的要求。
利用LTCC技术能有效的缩小天线的体积,提高天线的性能。
LTCC以高耐温性、高热传导率、低介质损耗及优良的高频高Q特性等特点,非常适合用作小型化、高性能天线的材料。
而LTCC工艺所具备的多层技术又使得天线的布局更加多样化[1]。
本文应用LTCC技术,在Ka波段设计了一个印刷振子阵列天线。
该天线主要由一个巴伦结构、一个主辐射振子及六个寄生振子构成,通过巴伦结构对印刷振子进行馈电,然后在印刷振子的基础上,加入了几个寄生振子作为引向器来改善天线的方向性,提高天线的增益。
该天线属于行波天线,所以其带宽特性也要优于一般的微带天线。
2天线设计
天线的立体图、侧视图分别如图1、图2所示,天线采用六层LTCC介质基片,介质基片采用DuPontD943,其相对介电常数
为7.4(在40GHz时),损耗角正切tg
为0.002,烧结后每层介质厚度为0.114mm,金属层的厚度为0.01mm[2]。
图1天线立体图
图2天线侧视图
天线的工作频率主要由主辐射振子的臂长决定,所以主辐射振子的理论长度
可由如下公式计算得到[3]:
(1)
其中,
为光在自由空间中的传播速速,
为天线的谐振频率。
但在实际设计中,由于振子的缩短效应,振子长度一般略小于
。
该天线前端的馈电部分是一个简单的微带巴伦结构,如图3所示,1端口为微带线非平衡输入端口;2、3端口为共面带状线平衡输出端口,分别接到主辐射振子的两臂上。
电磁波由1端口输入,通过50Ω微带线到共面带状线的过渡结构后,从2、3端口输出。
巴伦结构要求由两个平衡输出端口输出的电流要等幅反向。
若电流幅度不一致,则会导致天线的方向图发生畸变;若电流方向不相反,则辐射到空间的电磁波会相互抵消,从而大大降低天线的辐射效率[4]。
本文设计的巴伦由于2端口直接与微带线连接,而3端口则由通孔连接到背面的接地板上,所以2、3端口输出电流的相位差为180°(即电流方向相反);而通过调整2、3端口的间距可改变共面带状线之间的耦合量,当间距适当时,可使得2、3端口输出电流的幅度一致。
微带巴伦后面的部分便是天线的辐射部分,包括主辐射振子和六个寄生振子,六个寄生振子呈倒“V”字形排列在主辐射振子的两侧。
电磁波通过微带巴伦的2、3端口从主辐射振子的两臂馈入,然后从主辐射振子依次耦合到后面的六个寄生振子上,离主辐射振子越远,耦合的能量也越弱,所以继续增加寄生振子对天线方向性和增益的改善作用已经很小。
通过调整寄生振子的尺寸、间距以及寄生振子到主辐射振子的距离可以使得空间中的电磁波在一个方向(巴伦方向)上相互抵消,在相反方向(端射方向)上相互叠加,这样就使天线获得了单向辐射的特性。
图3微带巴伦结构
利用Ansoft公司的三维电磁场仿真软件HFSS11优化得该天线的设计参数为:
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,如图4所示。
图4天线设计参数示意图
3仿真结果
经过HFSS仿真得到天线的S11曲线、E面和H面的方向图分别如图5、图6(a)、图6(b)所示。
由图5可知,该天线回波损耗大于10dB的相对带宽约为9%(30GHz~32.8GHz),谐振频率为31.5GHz,谐振点处的最大增益为7.3dBi。
由图6(a)可以看到:
E面方向图略有不对称,这主要是由巴伦结构的不对称引起的;E面背向辐射也比较大,这主要是因为用接地面作为反射器来抑制背向辐射的作用比较有限。
在下一步的工作中还将针对以上两个问题对天线的结构作进一步的改进。
图5天线仿真的S11曲线
(a)
(b)
图6天线仿真的方向图(a)E面方向图(b)H面方向图
4结论
本文应用LTCC技术,在Ka波段设计了一个印刷阵子阵列天线,并对该天线的设计原理和设计步骤做了详细说明。
通过微带线到共面带状线的过渡结构(巴伦)将天线匹配到50Ω的微带线。
从仿真结果来看,该天线表现出了良好的带宽特性和增益特性。
参考文献
[1]RongLinLi,KyutaeLim,ManosM.TentzeisandJoyLaskar,“DesignofCompactStacked-PatchAntennasinLTCCMultilayerPackagingModulesforWirelessApplications,”IEEETransacationsonAdvencedPackaing,vol.27,NO.4,NOV.2004.
[2]DupontMicrocircuitMaterialsDataSheet,“943LowGreenTape-ThcikFilmComposition,”
[3]N.Kaneda,Y.Qian,andT.Itoh,“AnovelYagi–Udadipolearrayfedbyamicrostrip-to-CPStransition,”inProc.1998AsiaPacificMicrowaveConf.Dig.,Yokohama,Japan,Dec.1998,pp.1413–1416.
[4]J.Venkatesan,"Novelversionofthedouble-Ybalun:
microstriptocoplanarstriptransition"IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters,pp.172-174,Feb.2006.
作者简介:
王金洪,男,硕士,主要研究领域为毫米波LTCC天线等。
王志刚,男,讲师,主要研究领域为LTCC技术,收发组件等。
延波,男,研究员,主要研究领域为LTCC技术、毫米波器件等。
微带天线宽频带技术的研究
于晓东阮成礼
(电子科技大学物理电子学院,成都610054)
摘要:
在众多的天线种类中微带天线由于其具有多频性,体积小,重量轻,剖面低,容易共形,易集成以及低成本的优点得到了人们的青睐。
但是,微带天线的带宽(阻抗带宽)比较窄,这一缺点极大的影响了微带天线的利用空间。
本文针对这一问题,结合当前微带天线技术的最新发展,研究几种对微带天线展宽频带的技术。
关键词:
微带天线,阻抗带宽,耦合馈电,容性探针
ResearchOnBroadeningBandwidthOfMicrostripAntennas
YuxiaodongRUANchengli
(Schoolofphysicalelectronics,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu610054)2
Abstract:
Asaresultofitsmulti-frequency,smallsize,lightweight,lowprofile,easy-conformal,easyintegrationandlowcost,mirostripantennasarepopular.Amajorityofpeoplearecomplimentaryaboutmicrostripantennabecausetheypossesstheseproperties.But,thebandwidthofmicrostripantenna(impedancebandwidt
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