探索基于角度分集的机载超宽带MIMO天线设计

李雪

摘要：随着飞机通信技术水平的不断提高，飞机机载通信设备的信道容量与天线安装空间逐渐不足，为了解决这一问题，本文提出一种基于角度分集的机载超宽带MIMO天线设计，该天线在不使用解耦结构的情况下，就可以获得较高的端口隔离度，这极大的提升了数据传输的效率。鉴于此，本文首先对MIMO天线结构进行分析，然后对天线进行具体设计，最后对设计天线进行实际测量，验证该天线的有效性。

关键词：角度分集;机载超宽带;MIMO天线;

1. MIMO天线结构

图1就是本文设计的MIMO天线结构设计图，与传统天线相比，该天线的整体尺寸降低为36mm*36mm*0.8mm，其介质采用FR4板材，介电指数为4.4。WS表示Vivaldi天线的馈电，将其端口定义为1;Wf表示超宽带槽天线，将其端口定义为2;L表示天线的长度;W表示天线的宽度。

本文所设计的天线主要由渐变槽线与微带槽线构成。当天线馈电后，电流将会微带槽线进行转化，并将电磁波能量传递给槽线传输线，同时由于槽线的传输能力较弱，这会导致馈入的电磁波被束缚在槽线之中，最终传输至渐变槽中。由于渐变槽线的宽度可以进行增加，所以，电磁波方向上的槽线会减弱磁场的束缚力，渐变槽线辐射会逐渐增强。当辐射强度达到工作频率的一半波长时，传输的电磁波会产生谐振，并沿着天线开槽方向发生偏移。此外，不同工作频率所产生的电磁波，所受到的槽线辐射也会存在着一定的不同。

本文在Vivaldi天线左右两侧的辐射臂上进行开槽，这一方面能够延长边缘的电长度，同时对外沿的电流以及阻抗特性进行改变，使天线的低频段向内发生偏移，增加天线的带宽，为天线小型化提供技术支持。另一方面在辐射壁上开槽，也在一定程度上减弱辐射臂的电路，并提高天线定向辐射的能量。本文以Vivaldi天线作为基础，并在天线的开槽处安装金属贴片，形成集成槽提高天线的空间利用率。与传统的槽天线相比，本文设计的辐射壁长度更大，并形成曲线结构，具有小型化的技术优势，由于本文设计天线为非闭合结构，同时金属贴片在天线的左侧，这会将天线的辐射方向集中到天线的右侧。

2 MIMO天线的具体设计

2.1天线具体设计流程

图2是本文具体设计的天线流程，这一设计是在图2（a）Vivaldi天线的基础上进行设计的。将图2（a）中对称的辐射壁中开出两个左右对称的长方形槽，从而形成图2（b）;最后在右侧的方形槽中，安装上长方形贴片，最后形成本文所设计的超宽带MIMO天线。由于在辐射臂上进行开槽，这将改变原本的电流路径，增加外边电流经过的路径，从而改善低频段的阻抗性，使天线低频段向边缘的方向发生偏移。

从图2中也可以清晰的看出，图2（b）的天线相比于天线1更加小型化。通过对图2中三种天线的参数曲线进行研究，可以发现，图2（b）与图2（a）相比，由于在两侧进行可开槽，其原有的工作频率发生改变，向低频段发生移动，这种展宽大约能够达到1GHz。图2（c）天线由于添加金属贴片，相比于图2（a）天线，其工作带宽进一步发生偏移并逐渐向低频段靠近，其展宽大约能够达到0.5HGz。与此同时，该天线的高频带宽也有所增长，其阻抗带宽区间为2.7～15.4GHz。本文所设计的超宽带槽天线阻抗带宽区间为1.8～12.7HGz，最小工作频率与同尺寸大小的天线相比，也是最小的。此外，本文所设计的天线端口隔离数也是整个工作带最小的。

2.2天线参数设计

MIMO天线与Vivaldi天线的参数值与天线的开槽深度有着一定的影响。正常情况下，开槽深度对Vivaldi天线反射系数的影响较小，二者之间的变化幅度相对平稳，当开槽深度开始增加时，Vivaldi天线的工作频率开始向低频偏移。但是开槽深度对MIMO天线的反射系数影响较大，影响的波动也较大，这是由于随着开槽深度的增加，使金屬贴片与Vivaldi辐射贴片之间的距离增加了，二者之间的耦合关系也发生改变，并增加了输入阻抗。二者之间的距离越大，对低频处基本没有太大的影响，但是在高频处这种影响一开始出现增加，当达到临界值时这种影响开始减小。此外，MIMO天线与Vivaldi天线的参数随着开槽内贴片的长度变化而发生变化，当贴片长度增加时，对Vivaldi天线的影响较小，反而对MIMO天线的影响较大。因此，当天线的长度增加时，天线的工作频率会逐渐向低频偏移。

3天线实际的测量结果

本文通过HFSS软件设计的宽带MIMO天线进行优化与测试，为了证明本文所设计MIMO天线的实际应用价值与可靠性，依据优化后天线的实际尺寸，采用矢量网络分析仪器与微波仿真室对设计天线的实物进行测量。从整体上看天线的尺寸非常紧凑。本文将测量后的数值与仿真后的数据进行了对比。通过对天线实际测量后得出天线的阻抗带宽为2.8～15.9GHz.er，实际测量的数值为1.8～12.7GHz，基本上与仿真后的数据保持一致。此外，值得注意的是在3HGz时，天线的实际测量结果略大于仿真结果，而在其他频率则小于仿真结果，天线端口的隔离程度情况良好。从整体上来看，本文设计的天线的测试结果与仿真结果基本一致。其差距也主要源于天线的加工误差导致的，同时不同的介质、不同的焊接精度都会对天线的实际使用性能造成影响。

4结语

本文采用角度分集技术对机载超宽带MIMO天线进行了设计，对传统的Vivaldi天线进行了改进，使得天线长度进一步缩短，同时这种天线的设计也更加简单，不在需要复杂的解耦结构，端口的隔离度也较高。该天线与传统单天线相比，其工作的频段更低，并逐渐向小型化的方向发展。

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