具有5.5 GHz频带缺口特性的紧凑型印刷UWB分集插槽天线外文翻译资料

 2022-11-26 20:14:19

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具有5.5 GHz频带缺口特性的紧凑型印刷UWB分集插槽天线

高鹏，IEEE会员，双鹤，徐波伟，许自强，王宁，易正

摘要 - 本文介绍了一种用于MIMO /分集应用的新型紧凑型印刷超宽带（UWB）缝隙天线。 天线由两个改进的共面波导（CPW）组成，馈送用于正交辐射图案的阶梯状辐射元件，其中矩形短截线放置在

45之间的CPW，以确保高隔离度。 通过在辐射器上分别蚀刻两个开口谐振腔（SRR）槽，实现了带缺口特性。 结果表明，这个天线满足10到12 GHz的阻抗带宽和15到15 GHz的隔离度，5.5 GHz的带隙带。 辐射方向图和包络相关系数（ECC）的测量表明天线适用于多输入多输出（MIMO）/分集系统。 此外，它具有紧凑的尺寸48*48，这已经大大减少，这是便携式设备的一个很好的候选人。

关键词：带缺口，多输入多输出（MIMO），模式分集，时隙天线，超宽带（UWB）天线。

介绍

超宽带技术由于具有成本低，数据速率高等诸多优点，具有现代无线通信的重要潜力。 然而，传统的UWB技术面临着多路径的挑战。 为了解决这个问题，已经提出了多输入多输出（MIMO）技术[1]。 通过使用多个定向波束来获得独立信号，由于图案分集技术易于设计和制造，使用不同的辐射方向图来改善信道衰落和移动终端的传输质量，例如正交辐射方向图和对称辐射模式[2]。

作为UWB系统的关键组成部分，UWB分集天线近年来得到了广泛的研究，特别是在接地平面上刻蚀一个环形槽来扩展频带[3]并扩展成树状结构[4]或在两个辐射元件之间插入短截线[5]以减弱相互耦合等。同时，虽然联邦通信委员会（FCC）允许商业使用对于3.1-10.6GHz的UWB频段，还有其他的窄带通信系统，如以IEEE802.11无线局域网（WLAN）为中心的5.5GHz频段，可能会对UWB应用产生电磁干扰。 为了避免这种情况，UWB天线已经提出了许多重要的带隙技术，包括插入方形辐射贴片[6]内的T形条，电磁带隙（EBG）结构[7]，U形沿馈线[8]，开环谐振器（SRR）结构[9]，微带开环谐振器[10]和配置PIN二极管[11]的寄生带。

然而，将上述方法简单地应用于传统的MIMO /分集天线是非常困难的，因为这将导致辐射元件之间的强互耦合。 而且，为了获得高的隔离和去耦特性，也强烈地影响带阻功能。 当天线设计紧凑时，这一点变得更具挑战性，这很少被报道。 最近，提出了一种满足UWB要求和WLAN带阻的印制折叠式单极天线[12]。 尽管天线具有良好的带宽性能，但其总尺寸为55*100。 便携式设备和无线个人区域网络（WPAN）的迅速发展激发了最近对超宽带组件微型化的研究工作[13]。 这是一个重要的研究领域，因为这些系统还有很大的空间和减少空间的需求。

在这封信中，提出了一种带缺口的UWB图案分集天线。 由改进的共面波导（CPW）馈电的两个阶梯形辐射元件被设计成实现UWB特性和正交辐射图案。 两个散热器之间放置一个去耦矩形短截线，以确保高隔离度。 通过在相应的散热器上刻蚀两个SRR插槽，实现了非常好的5.5GHz频带切口性能，同时实现了散热器的高效小型化。 仿真和测量结果一致表明，该天线的工作频率为2.5至12 GHz，带宽为5.1-6 GHz。 辐射方向图和包络相关系数（ECC）的测量表明天线适用于MIMO /分集系统。 同时，这种天线结构简单，48*48的体积，比以前用于集成便携式设备的面积少50％以上。

天线设计与分析

  1. 天线配置

图1（*a）描述了所提出的天线的几何形状。 它是在一个共同的和低成本的FR4基板上制造的，总尺寸为48*48*0.8相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。 它由两个阶梯形状组成辐射单元，由共面波导馈电，获得更多的谐振频率和实现超宽带特性[14]。 在天线上刻蚀1/4圆形槽，45°对称地延长一个矩形短截线，延长有效电流路径，提高宽带隔离度。 每个散热器都有一个蚀刻槽，这提供了带阻特性。 使用Ansoft HFSS ver.13优化的尺寸.如图1（a）所示，全部以毫米为单位w=l=48,r=36,l1=8,l2=30,l3=26.5,g1=3,h=1,h1=8,w1=10,h2=3,w2=1,wd=1,g2=0.3,h3=4.25,h4=0.6,g3=0.4,w3=5.8,w4=0.8.

图1（b）显示了制造天线的照片。 以上详细讨论了上述元件的性能。

图1.拟议的天线几何（a）俯视图和（b）捏造的模型视图。

  1. 矩形存根

引入矩形短截线改善了散射参数的反射，并通过分离两个辐射体的辐射图来减少宽带互耦。 如图2（a）所示，当存在矩形短截线时，它增加了表面电流的路径，工作频带的起始频率从3.3降低到2.89 GHz。 图2（b）显示了端口1和端口2在通带之间的隔离度的变化，其中参数的值在2-5GHz时显着降低到小于15dB，满足典型的MIMO /分集天线。

为了更好地表示矩形短截线的影响，在图4中示出了在4GHz的谐振频率处具有和不具有短截线的表面电流分布。如图3所示，从端口1流向端口2的电流被截止这个存根明显减少了互耦效应。 从端口2到端口1的效果是一样的。两个端口都匹配50Omega;的负载阻抗

图2.当存根变化时，所提出的天线的仿真参数：

（a）和，（b）和

  1. SRR插槽

这个天线的中心频率为5.5GHz的带隙特性是由两个SRR插槽产生的。 蚀刻在散热器，每个时隙充当四分之一波导并行开路传输线，在相关频率处短接天线。 槽口的长度大约在/在缺口带的中心频率，可以通过计算

在这里c是光速，是有效的介电常数，L1（L1=2*(w3 h3)-w4-g3）是SSR插槽的长度。 根据（1），计算的槽的长度是16.6mm。

图4给出了所提出的天线长度的仿真结果是17.1，18.1和19.1.发现随着长度的增加，缺口带移动得越来越低，对最高回损和隔离值的影响不大。 为了在5.5GHz的中心频率附近实现最高的拒绝率，槽的实际长度是18.1mm。

图5显示了设计天线在5.5 GHz频率下的仿真电流分布。这是清楚的看到电流集中在SRR插槽周围，其中明显产生了带缺口特性

图4.所提出的天线的仿真参数不同

  1. 和，（b）和

图3.模拟电流分布（a）和（b）在4 GHz没有矩形短截线。

结果与讨论

  1. 阻抗特性

Agilent E8363B矢量网络分析仪测量这种天线的带宽性能。图6给出了天线的模拟和测量参数。如图6（a）所示，由于焊接连接器和制造公差的原因，测得的回波损耗（和）与模拟结果有可接受的差异。测量结果表明，除5.1-6GHz以外，该天线的阻抗带宽（回波损耗le;-10dB）为2.5至12GHz，覆盖UWB标准，无WLAN波段。 中心陷波频率为5.5 GHz，回波损耗为-2.91 dB。

图6（b）表示通过整个工作频带（大部分频带为20 dB），辐射端口之间的隔离度大于15 dB，测量结果与计算结果非常吻合。

图6.提出的天线的测量和仿真参数结果：

B.辐射性能

图7显示了3.5,6.5和9.5 GHz时的辐射模式，当端口1被端口2激励时，端口2被50个负载端接，反之亦然。 由于结构的对称性，端口1和2的图案被旋转90°。 在（a）中，观察到端口1和端口2的平面图案几乎是对称的。关于45的轴 在（b）和（c）中，每个端口的辐射在H平面（端口1yz的平面和端口2xz的平面）中的定向性较低，在E平面中具有单极状辐射图（端口1xz平面和端口2yz的平面）。 端口1xz的平面和端口2yz的平面是相似的，端口2xz的平面和端口1的yz平面是相似的。因此，两个端口可以分别辐射垂直极化波和水平极化波。 两个正交波互相影响不大，这削弱了包络相关性，增强了接收的能力。 另外，天线的计算和测量的峰值增益在2到12 GHz之间，如图8所示。对于工作频段的两个端口，增益稳定，变化小于3dB。 在5.5 GHz清楚地观察到一个急剧下降的趋势，这表明它有效地被切口。

C.多样性表现

作为分集性能的重要参数，双端口ECC使用[15]计算，

图7.在3.5,6.5，5.5和9.5 GHz处测得的天线辐射图

（a）xy平面（b）xz平面（c）yz平面

结果表明，在2.5〜12 GHz的整个工作频带内，所有的数值都在0.005以下，这也证明了这种天线适用于分集系统。

结论

在这封信中介绍了一种具有5.5 GHz频带缺口特性的小型印刷UWB MIMO /分集天线。这种天线结构简单，小巧体积为48*48。选择矩形短截线和SRR以同时实现高隔离度和清晰的带阻特性。 结果显示良好的阻抗匹配，具有有利的辐射模式和工作频带中的增益平坦度。 根据上面提到的这些特性，它是移动MIMO /分集UWB应用的非常好的候选者。

致谢

作者感谢代尔夫特理工大学的A. Roederer博士提供了有益的建议。

参考目录

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  2. M.Saacute;nchez-Fernaacute;ndez，E. Rajo-Iglesias，O. Quevedo-Teruel和M.

L.Pablo-Gonzaacute;lez，“在紧凑约束下使用空间和模式多样性的MIMO系统中的频谱效率”IEEE Trans。 辆。 Technol。，vol。 57，没有。 3，pp。1637-1645，2008年5月。

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  2. S. Zhang，Z. Ying，J. Xiong，and S. He，“超宽带MIMO /分集天线，具有树状结构以增强宽带隔离”，IEEE Antennas Wireless Propag。 Lett。，vol。 8，pp。1279-1282,2009。
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