文摘
一个紧凑的双极化天线的设计方法已经提出了多输入和多输出(MIMO)的手机应用程序。为了高隔离双偏振,印刷单极子和混合槽天线结合使用共面波导(CPW)和微带混合喂养的结构。提出的拓扑结构将导致不同偏振态正交电流分布模式,有效地减少了相互耦合的两种模式。喂养结构的运行机制分析原理和仿真验证了。模拟和测量结果显示这紧凑的双极化天线实现两个端口之间的隔离比25 dB,和相对带宽超出23.5%。
1。介绍
研究多输入和多输出(MIMO)技术在无线通信领域很受欢迎,因为超过1 Gbps使用MIMO技术可以实现数据传输速率。在许多文献[1,2),MIMO系统的性能敏感取决于通道的状态,包括无线电传播、多路径效应和天线辐射模式。最近关注文中天线选择系统,因为它吸引更好的性能和低成本3]。与其他组件在无线收发机相比,天线是便宜得多。因此,我们可以用适当的天线进行更好的信道状态和分布式天线系统的最大容量的方法。几个天线选择方案(4- - - - - -8)已经被广泛的研究到目前为止,如空间选择,辐射模式选择和偏振选择。在这些选择方案,偏振选择更多潜在的未来的应用由于其紧凑的尺寸和制造方便。如之前所示文献[4,5),分布式天线系统的能力可以通过使用增强的可切换的极化方案在分布式天线系统的冗余元素。
本文基于我们提出的双极化天线在[9),紧凑的双极化天线天线的详细设计方法提出和讨论。这结合印刷单极子天线10,11)由共面波导和混合槽天线12- - - - - -15)由耦合微带线产生垂直和水平极化辐射,分别。低相互耦合是保证不同的电流模式的正交性。的结构是平面的,并可以很容易地捏造一般印刷电路板(PCB)技术,因此,方便被集成到便携式收发器。参数研究进行了探讨维提出了天线结构的敏感性。测量年代参数和辐射模式给出了验证该设计。
2。天线配置和机制
正如我们所知,印刷单极子天线被广泛应用于手机。与此同时,四分之一波长槽与微带天线喂线很容易被集成到PCB,所以他们为体积有限,宽带应用程序也很受欢迎。如果这两个类型的天线可以组合在一起,一个紧凑的双极化天线继承设计复杂性和制造成本低的可以实现移动终端。如图1,印刷单极子天线的电流分布和四分之一波长槽天线相比,示意图。结构对称的喂养,单极天线的电流分布是对称的阶段。对缝隙天线的电流分布仍对称但阶段。假设这两个天线可以组合在一起,可以保证两根天线之间的隔离。不幸的是,有一个困境实现所需的同时对天线的电流分布。
(一)
(b)
为了实现一个紧凑的双极化天线高的隔离和照亮的困境喂养的结构,提出了一种新型结构。该天线设计运行在2.35 GHz和详细配置如图2展览所需的电流分布,大约仍有对称的喂养结构。天线是印在衬底与相对介电常数2.65和1毫米的厚度,列出了详细的天线尺寸表1。如图2,在基板的正面有一个单极50欧姆CPW美联储。磁单极子的长度(Lm)和地面(Lg)选择四分之一波长。通过焊接SMA连接器数据,地面的两部分将做空底部,形成hybrid-slot也约四分之一波长长,实际上由两个平行的槽如图2。激活这个缝隙天线,一个50欧姆耦合微带线是印在衬底的背面。
获得所需的双偏振的电流分布,共面波导(CPW)拓扑用于印刷单极天线。此外,这个数据拓扑可以视为槽天线的一部分。在初步设计阶段,磁单极子和地平面的长度等于四分之一波长。SMA(超小型版本)连接器用于喂养港口,在双边地面飞机通过其外导体连接在一起。在图3内,电场分布CPW喂养模式和微带喂养模式阴谋理论。如图3CPW喂养,相反方向的电场是对称的,而电场使用微带喂养在同一个方向。从而,引起的电流分布的组合数据和微带喂养与双极化天线的要求是一致的。实际上派生缝隙天线由两个相邻槽天线。自两个槽之间的间距很小,磁电流兴奋的微带线等效的大小和相位。最后,两个插槽可以看作是一个混合槽的远场辐射。
(一)
(b)
从槽微带线是呈现在图4(一),在槽电场分布以及微带线耦合从槽行所示。此外,如图4 (b),考虑到两个平行并关闭槽线、电场相等的阶段,因此,电场诱导的喂食槽线将会有相同的特征。因此结合喂养两槽线的效果将相当于单槽线。在相反的位置,在图4 (c),如果电场相等的阶段,微带线的耦合的电场将被取消,没有电场会对微带线传输。在此基础上分析调查,微带喂养端口屏蔽数据端口,这意味着高数据和微带喂养端口之间的隔离。
(一)
(b)
(c)
3所示。实验结果
验证上述分析,提出结构是基于首先模拟。图5显示了电场分布在顶视图和横截面,以上分析吻合较好。在CPW喂养的情况下,电场的两个槽是一个模式。正如我们期待的,这两个港口之间的耦合非常小,可以忽略不计。另一方面,微带喂养端口是活跃的时,电流分布在两个槽是一个奇怪的模式。图6显示了模拟电流分布在2.35 GHz兴奋一个端口,另一个是终止与50欧姆匹配负载。当磁单极子兴奋,左边的电流和正确的部分主要是对称和阶段。在这种情况下,磁单极子天线可以有效辐射,垂直极化,几乎全向辐射模式实现。混合槽天线的兴奋时,电流磁单极子的两条边是180度的阶段,因此,单极天线是空闲的。因此,水平极化辐射是归因于地平面上的电流分布。在喂养港口,电场和电流分布的金属飞机都证明提出喂养拓扑结构的运行机制,从而导致高隔离双偏振。
(一)
(b)
(一)
(b)
更广泛的带宽通常更广泛的磁单极子的结果;然而,隔离双偏振将恶化。作为一个解决方案,阶梯配置磁单极子是采用这种设计。自两个部分可以单独调整的宽度,带宽匹配和隔离不权衡优化可以达到理想的点。此外,这种阶梯结构会增加槽的长度对于一个给定的地面大小,也有利于减少尺寸。在图7,模拟3 d辐射模式由不同的港口,和天线的增益4 dbi在这两种情况下。
(一)
(b)
一个原型的天线,如图8制造和测试,可以找到详细的尺寸表吗1。图9显示的是测量年代参数。测量10 dB回波损耗带宽2.04 -2.59 GHz单极(23.5%)和1.89 - -2.70 GHz(35%)混合缝隙天线。两个端口之间的相互耦合小于−25 dB在常见的带宽。数据10和11显示测量磁单极子的辐射模式和混合槽天线在2.35 GHz。磁单极子有一个全向垂直偏振模式x- - - - - -y平面和高程平面环状的模式。混合槽产生双向和水平偏振辐射x- - - - - -y飞机。
因为利用开放式四分之一波长槽天线设计,辐射水平将出现在的方向。可以预期,辐射场类似于水平偶极子。地平面的尺寸限制,飞机地面的反射效果不会很大,因此,辐射模式z- - - - - -y飞机接近一个全向的模式。比较在不同的飞机和偏振辐射模式,这些模式可以看出,在极化和空间维度是互补的。受益于这些好的特性,提出了天线可以用于空间和角多样性在MIMO系统中。
4所示。参数研究
为了优化性能,参数研究的地平面的尺寸。提出了图12(一个)端口2的共振频率依赖于地平面的宽度,与上述分析相一致。根据对比图12 (b),地平面的长度影响S22参数,可以提高匹配性能增加地平面的长度。
(一)
(b)
两个偏振之间的隔离会受到数据的维数的影响。原则上,特性阻抗的数据取决于差距和中央带宽度的比值,它提供了更自由的设计。列在表2,不同种类的50欧姆CPW已经提出,电极间距的比值以及相关的波长。基于这些进料结构,隔离年代可以计算两个端口之间的21个,模拟结果如图(13日)。从这个图中,增加数据的宽度,这意味着两个差距之间的间距宽,两个端口之间的耦合比以前更强;然而隔离仍然是可接受的。在数据13 (b)和13 (c)在两个端口,返回损失计算与不同的维度,明显的尺寸数据不会影响匹配的显著地位。
(一)
(b)
(c)
(d)
为了评估梯子喂养的性能结构,模拟年代参数有或没有梯子。可以看出,磁单极子的共振频率不会改变,和隔离在两个偏振不变化,但是天线的频率带宽增强。与此同时,由于槽长度的增加,共振频率的混合槽将朝着更低的频率。
5。结论
摘要一个紧凑的双极化天线的设计方法已经提出了MIMO系统和实现。隔离双偏振,小说结构发明了。模拟和测量结果显示这两个偏振高度孤立结合印刷单极子和混合槽天线。拟议的天线将提供更好的传播渠道,提高MIMO系统的能力。
确认
本文得到了中国国家基础研究计划(2010 cb32740)和中国国家高技术研究发展计划(863计划)2009 aa011503合同,以及国家科技重大项目中国科技部(批准号zx03007 2009 - 003年和2012年zx03001009 - 003)。