基于新型共面波导的频率可重构MIMO天线设计.pdf
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1、第4 6卷 第1期压 电 与 声 光V o l.4 6 N o.12 0 2 4年2月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S TOO P T I C SF e b.2 0 2 4 收稿日期:2 0 2 3-1 0-0 6 基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 1 7 5 5 5 5);山西省重点研发项目(国际合作)(N o.2 0 1 8 0 3 D 4 2 1 0 4 3);国家自然科学基金创新群体资助项目(5 1 8 2 1 0 0 3);山西省基础研究计划资助项目(2 0 2 1 0 3 0 2 1 2 3 0 7 4)作者简介:常睿(1 9 9
2、9-),男,河南省濮阳市人,硕士生。通信作者:段俊萍(1 9 7 9-),副教授,博士。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 4)0 1-0 1 0 8-0 4D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 4.0 1.0 2 0基于新型共面波导的频率可重构M I MO天线设计常 睿,李 伟,姚博译,段俊萍,张斌珍(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西 太原 0 3 0 0 5 1)摘 要:设计了一种基于新型共面波导(C PW)频率可重构多输入多输出(M I MO)天线。在天线中使用开关元件,通过控制开关改变
3、C PW的电流长度来实现6.1 79.3 8 GH z与1 9.5 32 5.4 8 GH z离散频率可调。转换模式不需要额外的匹配电路,使得结构更紧凑。天线单元采用C PW馈电方式,蚀刻在F 4 B的介质基板上,M I MO配置无需额外的解耦装置便能实现良好的隔离效果。仿真和测试结果表明,单个天线与M I MO天线均可实现频率可重构特性,天线单元之间的隔离度-2 0 d B,相关包络系数0.0 5,分集增益接近1 0 d B,满足设计要求。关键词:频率可重构;多输入多输出;高隔离度;M I MO天线中图分类号:T N 8 2 文献标识码:A D e s i g n o f F r e q u
4、 e n c y R e c o n f i g u r a b l e M I MO A n t e n n a B a s e d o n N o v e l C o p l a n a r W a v e g u i d eC H A N G R u i,L I W e i,Y A O B o y i,D U A N J u n p i n g,Z H A N G B i n z h e n(K e y L a b o r a t o r y o f I s t r u m e n t a t i o n S c i e n c e&D y n a m i c M e a s u r e
5、 m e n t,M i n i s t r y o f E d u c a t i o n,N o r t h U n i v e r s i t y o f C h i n a,T a i y u a n 0 3 0 0 5 1,C h i n a)A b s t r a c t:A f r e q u e n c y r e c o n f i g u r a b l e m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t(M I MO)a n t e n n a b a s e d o n a n o v e l c o p l
6、a n a r w a v e g u i d e(C PW)i s d e s i g n e d i n t h i s w o r k.T h e s w i t c h i n g e l e m e n t s a r e u s e d i n t h e a n t e n n a t o a c h i e v e t h e d i s c r e t e f r e q u e n c y t u n a b i l i t y o f d i s c r e t e f r e q u e n c i e s o f 6.1 7-9.3 8 GH z a n d 1 9.
7、5 3-2 5.4 8 GH z b y c o n t r o l l i n g t h e s w i t c h t o c h a n g e t h e c u r r e n t l e n g t h o f t h e C PW.T h e c o n v e r s i o n m o d e d o e s n o t r e q u i r e a d d i t i o n a l m a t c h i n g c i r c u i t s,r e s u l t i n g i n a m o r e c o m p a c t s t r u c t u r
8、e.T h e a n t e n n a u n i t i s C PW-f e d a n d e t c h e d o n t h e d i e l e c t r i c s u b s t r a t e o f F 4 B,a n d t h e M I MO c o n f i g u r a t i o n c a n a c h i e v e g o o d i s o l a t i o n w i t h o u t a d d i t i o n a l d e c o u p l i n g d e v i c e s.T h e s i m u l a t
9、i o n a n d t e s t r e-s u l t s s h o w t h a t b o t h t h e s i n g l e a n t e n n a a n d t h e M I MO a n t e n n a c a n r e a l i z e t h e f r e q u e n c y r e c o n f i g u r a t i o n c h a r a c t e r i s-t i c s.T t h e i s o l a t i o n b e t w e e n a n t e n n a u n i t s i s-2 0 d
10、 B,t h e c o r r e l a t i o n e n v e l o p e c o e f f i c i e n t i s 0.0 5,a n d t h e d i-v e r s i t y g a i n i s c l o s e t o 1 0 d B,w h i c h m e e t s t h e d e s i g n r e q u i r e m e n t s.K e y w o r d s:f r e q u e n c y r e c o n f i g u r a b l e;m u l t i p l e i n p u t m u l t
11、 i p l e o u t p u t;h i g h i s o l a t i o n;M I MO a n t e n n a 0 引言近年来无线与通信技术发展迅猛,为了满足通信系统日益增长的需求,高传输速率、大容量信道、宽带频段等成为重点研究方向1。而多输入多输出(M I MO)技术可以在相同带宽的情况下提高频谱利用率和信道容量,这对于解决日趋紧缺的频谱资源是一个良好的解决方法。M I MO天线利用多个发射和接收天线来提供复用增益和分集增益,这减少了多径衰落效应,增加了传输容量。小型化和紧凑型天线是宽带天线系统中较常见的天线类型。对于M I MO天线,单元之间的互耦程度是衡量M I
12、MO系统性能的重要指标之一。为了解决去耦问题,提出了多种技术方法,如去耦存根技术2、缺陷地结构3-4、电子带隙5-6和开口谐振环7-8等。研究表明,M I MO天线中的分集技术可以有效地解决多径衰落问题,从而提升通信质量9。在M I MO天线诸多优势的基础上,可重构M I MO天线 在新一代通 信系统中获 得 极 大 的 关注1 0,它不仅是改善覆盖范围和提高数据速率的绝佳选择,还可以根据频率可重构的特性提高频谱效率。近年来可重构天线的设计已应用于M I MO天线系统中,文献1 1 采用可控开关元件对超宽带(UWB)频段内进行可调节和可逆的控制,使天线能在3种不同模式下运行。2 0 2 2年,
13、Z h a o等1 2提出一种可以通过二极管控制的可重构M I MO天线,使天线分别在3.5 GH z和5 GH z频段工作。I s l a m.H等1 3等设计了一种带阻滤波器去耦网络,在滤波器配置中连接单个P I N二极管。通过控制P I N二极管的ON/O F F状态,M I MO天线可以在模式1(4.7 5 GH z)和模式2(1.7 7 GH z)下工作。本文提出了一种基于新型共面波导(C PW)馈电方式的紧凑型可重构M I MO天线,通过控制开关可使天线在UWB频段和K波段下工作。所设计的天线结构简单,性能优良,M I MO天线的隔离性能良好,具有紧凑的尺寸(仅1 9 mm3 8
14、mm),比大多数提出的M I MO天线尺寸更小。1 天线的设计与分析所设计的天线最终结构如图1所示。天线尺寸为1 9 mm1 2 mm0.8 mm。选用F 4 B作为介质基板材料构建印刷电路板,该介质基板的相对介电常数为2.6 5,损耗角正切为0.0 0 1。所设计的天线主要由一个矩形贴片和共面波导构成,在C PW上蚀刻不规则矩形缝隙可以改变贴片上的电流方向,实现良好的阻抗匹配。通过控制D 1、D 2的导通与截止状态可实现天线的频率重构功能。优化尺寸如表1所示。图1 天线结构图表1 天线最优参数尺寸mm参数值参数值W1 9.0W00.3 5L1 2.0W19.0 0B5.0W29.8 0Ws1
15、.3Wm1 9.0 0Lm3 8.0Lg8.0 0H0.8Lp8.0 0 所设计的单个天线仿真结果如图2所示。由图可见,当D 1、D 2导通时,天线的工作频段为6.1 79.3 8 GH z,而当D 1、D 2处于截止状态时,由于表面电流的长度改变,天线的工作状态随之变化,工作频率变为1 9.5 32 5.4 8 GH z。图2 两种工作状态下的S1 1 2 天线的性能研究2.1 M I MO天线设计所设计的M I MO天线由两个天线单元正交排列在同一介质基板上组成。其中一个天线单元被激励,由于天线的隔离效果较好,确保了表面电流处于该单元中,而不会与其他单元产生耦合。图3为天线几何结构和加工实
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