文摘
一个紧凑的平面多输入多输出(MIMO)天线阵提出了5 g带。提高紧凑型微带天线阵的隔离,本文主要提出了一种MIMO天线阵列的电磁谐振环方法。该天线能覆盖3.3 4.8 -3.6 GHz和5 GHz两种频段的5 g乐队。天线提出了由两个对称的扑鼻单极散热器、网格结构,和一个人字形元素。两种不同尺寸的开口环谐振器(从)用于抑制干扰耦合信号的天线系统;从而可以减少相互耦合效应。实验结果表明,这两个元素之间的相互耦合是低于-25分贝的乐队在添加从理论之后。这天线只有23×19毫米2。其紧凑的尺寸和结构可以用作移动终端天线。
1。介绍
无线通信技术的快速发展,移动通信已经融入生活的方方面面。如今,第五代已经成为全球研究的热点领域,因为它更快的传输速度和更高的性能(1]。目前,第五代移动通信的乐队(5克)被确定为两个频段在3.3 4.8 -3.6 GHz和5 GHz。这些频率500 MHz带宽可以达到。在通信系统中,多输入多输出(MIMO)技术可以显著提高频谱利用率和信道容量不增加传输能量和添加额外的传输带宽2,3]。然而,随着无线设备的小型化和便携性成为主流,对天线可用空间越来越有限。因此,它是非常必要的设计一个紧凑的MIMO天线。为了适应常用的无线设备,印刷MIMO天线是一个必要的选择。然而,有强烈的相互耦合时MIMO天线元素之间的距离非常接近。是相反的渴望更高的隔离和包络相关系数较低。因此,它是必不可少的,以减少天线之间的互耦的元素。
从现有的文献中,研究者做了大量的工作在减少耦合和提出了各种解决方案。为了抑制表面波的传播,减少耦合,寄生分支方法(4通常可以使用。也有许多方法来提高电磁波传播在一定频带利用电磁带隙结构(5,6];他们可以形成一个频率带隙和相位带隙特性改善隔离。改变当前传播路径约束耦合多个通常选择中和线技术(7,8]。除此之外,它也是常见的使用缺陷地结构(9- - - - - -11)作为一个带阻滤波器来实现解耦。除了传统的方法,该方法利用超材料的特殊性能,以达到期望的效果也提到在12- - - - - -14]。但上述方法在一个紧凑的MIMO天线和空间不足很难函数。因此,本文提出了减少耦合通过使用两种不同尺寸的开口环谐振器(从)。
本文提出一种紧凑的二进制数组印刷MIMO天线。天线可以涵盖5克乐队最近提出的中国工业和信息化部。该天线具有对称结构。和它使用微带线。本文从电磁波到达时产生共鸣,从而有效地阻碍电磁波的传播,减少两个天线之间的互耦的元素。第二部分介绍了天线的具体结构和尺寸。第三部分给出了详细的仿真和天线的测量结果。与此同时,天线的性能和分离结构在本节进行了分析和讨论。最后,提出了MIMO天线进行了总结。
2。天线设计
罗杰斯提出的天线是印在4003 c的衬底厚度0.406毫米3.38的介电常数和损耗角正切的0.0027。只有23×19毫米大小2,这被认为是不够紧凑。金属厚度是0.035毫米铜导电率为5.8×107S / m。提出了MIMO天线的模拟模型图所示1。这个天线使用微带喂线法。从前面可以看出视图(显示在图中1(一))提出了MIMO天线由两个单极散热器和人字形通过金属通过孔连接到地面。和地面天线构成,两曲线的底部行条连接到各自的散热器,以金属连接到散热器通过孔如图1 (b)。
(一)
(b)
(c)
(d)
在MIMO天线模型提出,共振频率和共振强度主要是由每个结构的参数决定的。不同的结构和形状可以形成不同的电气长度,从而导致不同的谐振频率。单极辐射元素的右边顶部的介质板和相应的弯曲线在后面主要影响4.9 GHz的频率。短边的长度的y形结构中起着重要作用的共振频率为3.52 GHz。通过分析影响谐振频率的结构,结构的大小可以调整达到共振频率的变化。
虽然可以实现所需的频段,天线的距离非常近,只有0.18 ;两个数组元素高度耦合。这是一个常见的问题文中应用程序。因此,为了减少天线元素之间的相互耦合,提高隔离,解耦结构如图1 (c)和1 (d)是补充道。图1 (c)说明小六从被添加到前面的天线。在图1 (d),三大从被添加到天线的底部。考虑一些情况下,我们最终选择的地方从两边。这些解耦结构的组合可以抑制的相互耦合在3.52 GHz和4.9 GHz的乐队。
每个结构的具体尺寸和距离最终取决于电磁仿真软件CST微波工作室,如表所示1。为了有一个良好的阻抗匹配50-Ω标准SMA连接器,给水管路设计的宽度为1毫米。
3所示。仿真和实验结果
在本节中,我们将讨论天线的模拟和测量结果。的原型来验证仿真,提出了天线构造和测量的基础上,设计和尺寸图中描述1。由于生产技术的限制,通过孔金属嵌入电介质作为电镀捏造通道直径为0.05毫米。实验测试本文使用矢量网络分析仪(安捷伦E8362B)。在实验测量,提出了MIMO天线是捏造的0.406毫米厚罗杰斯4003 c衬底。沉积铜厚度是0.035毫米。的照片制作天线样机如图2。顶部和底部的原始天线给出数据2(一个)和2 (b),数据2 (c)和2 (d)分别显示顶部和底部的解耦天线。它可以直观地看到这MIMO天线紧凑的天线。
(一)
(b)
(c)
(d)
3.1。的参数
提出了MIMO天线的模拟和测量的参数中勾勒出人物3(一个)和3 (b),分别。在测试中,天线的两个端口,分别连接到两个端口矢量网络分析仪的安捷伦E8362B。比较数据3(一个)和3 (b);的总体趋势,测量结果与仿真结果是一致的,但有一个轻微的偏差。即测试获得的谐振点都是有偏见的高频率。这可能是由于频率极限SMA连接器和印刷电路板的制造公差。
(一)
(b)
它可以指出从图中所示的参数3了该天线在上述频段具有良好的效果。每个天线可以覆盖5克的两个频段,及其回波损耗S11基本上可以达到-10分贝以下。的从理论,所有相应的隔离乐队比25 dB,提高约10分贝。与此同时,天线的谐振频率大大抵消。3.52 GHz的回波损耗也略优于原来的天线。它可以注意到多输入多输出信号天线的回波损耗和隔离摘要表现良好。测量结果,中心频率略转向高频介质板损耗等因素和测试馈线损耗。有一些测量结果和模拟结果之间的误差。这可能是原因的紧凑尺寸天线和工艺是不精确的。然而,在添加从理论之后,天线的整体性能比原来的好。
本文最初的天线设计有一个人字形结构中间的两个辐射元素。人字形结构在这个设计主要用于提高谐振点的辐射效应。当没有人字形结构,尽管S21低于S11在谐振点,很明显,S11共振频率小于-10分贝,如图4。S11有/没有人字形结构绘制在图4(一)和图4(b)显示了S21的曲线有/没有人字形结构。比较红实线和黑色虚线图4(一)共振天线的显著增强所需的频段添加人字形结构之后,满足设计要求。
通常情况下,地面飞机还将参与天线的辐射,所以它的大小也会影响的参数。采用控制变量法,其他部分是相同的大小,只改变了地平面的宽度(的大小w2),如图5。从图可以知道,共振频率将转向高频率地平面的宽度增加,在低频率和高频段。当w2= 5毫米,S11最好的性能在3.3 -3.6 GHz的乐队,但是4.8 5 GHz的S11乐队是稍微更小更偏向低频率。当w2= 7毫米,略高频率在4.8 - 5 GHz乐队和S11略小,但其共振频率的乐队已经高于3.6 GHz 3.3 -3.6 GHz,不符合< -10 dB的要求。因此,考虑到综合考虑,最终确定地平面的宽度是6毫米。
由于SRR可以相当于一个信用证串联谐振电路,其共振频率可以获得显著 。l是完整的SRR的电感。当计算SRR的电感,可以相当于一个全闭回路电感。分裂的两个环可以等效电容CSRR的电容。获得的初始大小SRR根据上面提到的公式,然后优化利用CST微波工作室获得最终的尺寸。带之间的距离较大的从底部天线的大小ub_w1)为例进行讨论。时的参数ub_w1改变可以看到从图吗6。的变化ub_w1对S11几乎没有影响,但对S21产生重大影响。当ub_w1= 1.22毫米,减少耦合的频率为3.52 GHz转移到更高的频率。当ub_w1= 0.22毫米,3.52 GHz的解耦效果并不显著。因此,ub_w1= 0.72毫米是最理想的选择。
3.2。辐射模式
进一步验证的影响在MIMO天线,本文从模拟和测量辐射模式在数据绘制7和8,分别。由于天线的对称设计,天线模式显示了良好的互补性和正交(天线最大辐射面积的补充和主瓣正交)。因此,只有考虑到美联储在端口1,和端口2是对称的,E飞机(yOz)和H飞机(xOz端口1时)两个谐振点兴奋的数字所示。其中,数据7(一)和7 (b)显示模拟E面和H飞机在3.52 GHz。数据8(一个)和8 (b)在3.52 GHz测量结果。和E飞机的模拟和测量在4.9 GHz绘制数据7 (c)和8 (c)。数据7 (d)和8 (d)描述H飞机的模拟和测量结果在4.9 GHz。在这些数据,原来的天线是用黑实线,改进天线与红色虚线画。在测量期间,一个端口是兴奋,另一端口连接到50-Ω负载。从给定的结果,天线的辐射omnidirectionality。观察到的辐射模式表现出良好的协议与模拟结果和实测结果。一些差异可能是由于测试环境的因素是nonanechoic室。很明显从加载的数据从理论对天线的辐射性能没有明显的影响。轻微不一致没有天线的辐射性能恶化。整个天线的辐射性能,如增益和效率,与原来的一致。
(一)
(b)
(c)
(d)
(一)
(b)
(c)
(d)
3.3。表面流
为了研究两个天线之间的互耦元素更多的直觉和分析的工作机制从理论详细地,春秋国旅的模拟结果是用来观察天线表面电流分布。通过这些结果,从理论的影响讨论了MIMO天线。本文的解耦结构主要由两种不同尺寸的从正面和背面。天线表面电流分布的有或没有从端口1激励的3.52 GHz和4.9 GHz显示在图中9。通过比较数据9(一个)和9 (b),可以看出,本文从被添加后,大部分的电流集中,本文从背面,这样减少电流可以达到端口2,从而有效地减少了相互耦合。比较的数据9 (c)和9 (d),可以得出结论,没有从原来的天线;当前可以顺畅的端口2,因此具有很高的耦合。加载后从理论;当前传播是有限的,和端口2和右边的辐射不能直接到达,所以相互耦合抑制。因此,本文从介绍可以减少非激励天线耦合电流的元素。这是因为当耦合电流通过金属谐振环,它可以有效地抑制当前辐射非激励天线元素,从而提高相互耦合。实现最优解耦效果,本文从决心的大小和位置通过多个模拟和优化。从模拟结果和测量结果,提出解耦结构有很好的效果,它提供了一种想了MIMO天线分离得到具有一定的前景。
(一)
(b)
(c)
(d)
3.4。ECC
计算相关系数(ECC)是一个重要的品质因数使天线系统。它可以计算出的参数的天线(15),如公式(1)。在公式(1),和分别代表S11和S21的配合。计算ECC小于0.5 MIMO天线是最基本的要求。比较的ECC计算的参数。文中天线有或没有从展示在图10。很明显,在添加从理论之后,ECC的天线是显著降低,低于0.3的要求操作频带。这意味着天线与从确保多样性性能好。 此外,为了区分我们的结果与其他现有的等效天线,几何尺寸的属性,波长和尺寸之间的关系,类型的衬底,解耦方法,和其他属性比较表2。在表2,λ代表了介质波长的高频天线的谐振点。天线可以获得的最大大小之间的关系λ和大小。显然从表中说明,提出了MIMO天线有一个更紧凑的尺寸。它可以覆盖5 g频段非常好。
4所示。结论
紧凑的5 g MIMO天线从理论提出了。双元素微带天线天线两种不同尺寸的从理论进行了研究。改善天线互耦已经使用这种方法来实现。研究表明,MIMO天线的互耦从加载的有效抑制,和改进的MIMO天线具有更好的性能。模拟和测量结果显示协议。验证好MIMO天线的性能。天线之间的隔离元素比-25 dB /所有需要的频带。这个简单、紧凑、低成本的设计使它适合应用,如手机终端的第五代移动通信。
数据可用性
提出结构的尺寸参数数据用于支持本研究的结果都包含在这篇文章。拟议的结构尺寸参数呈现在图1和表1。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金(没有。41704176,41574131),中国国家重点研发项目(没有。2017 yff0105704),中央大学的基础研究的资金来自中国。