李业振　梁仙灵　金荣洪　耿军平　郝强

(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海 200240;2.上海交通大学 微米/纳米加工技术国家级重点实验室,上海 200240;3.国网丹东供电公司,辽宁 118000)



集群通信与无线局域网多天线共口径设计

李业振1梁仙灵1金荣洪2耿军平1郝强3

(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海 200240;2.上海交通大学 微米/纳米加工技术国家级重点实验室,上海 200240;3.国网丹东供电公司,辽宁 118000)

摘要针对地面集群无线电通信800 MHz频段和无线局域网5 GHz频段，融合共口径技术和多输入多输出技术设计了一种新颖四单元双模式天线，该无线局域网天线采用双层微带结构结合多输入多输出技术，实现高通信容量;集群通信天线采用单层空气微带结构结合贴片耦合馈电技术，并与无线局域网天线共口径设计，实现多天线小型化.仿真和测试结果表明：集群通信天线(驻波比小于2)的阻抗带宽为806～866 MHz，天线增益大于6 dBi;无线局域网天线的阻抗带宽为4.9～6.1 GHz，天线增益大于8 dBi;各天线间的端口隔离度大于22 dB，无线局域网天线的包络相关系数远小于0.01，满足多输入多输出天线的分集要求.

关键词集群通信;无线局域网;共口径;多输入多输出;包络相关系数

引言

集群通信系统具备特有的调度、组呼功能.随着经济的发展,紧急事件服务部门和物流、物业的管理越来越需要地面集群无线电(Terrestrial Trunked Radio,TETRA)通信系统用于指挥调度[1];随着无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN)标准和技术的研发成熟,其在无线通信领域的地位日益凸显,尤其对室内空间,WLAN可以提供更好的射频覆盖.因此,融合TETRA/WLAN的增强型系统越来越受到重视,并利用多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)技术[2-4]来提高整个系统的通信容量,保证更好的链路通信和更小的掉线机率.同时,这需引入更多的通信天线,若采用独立口径的设计理念,必然导致系统中的天线体积、重量变大.基于此,融合共口径技术[5]和MIMO技术的TETRA/WLAN双模式终端天线的研究具有重要意义.

当前，共口径天线技术主要应用在阵列天线设计中,大致结构有两种.图1(a)为交织式融合布局,如低频单元采用十字形或T形贴片振子天线,高频单元采用矩形微带贴片天线,并分布在低频单元四周,形成共口径设计[6-8].图1(b)为嵌入式融合布局,在低频单元上开多个方形槽,将高频单元置于槽中形成共口径设计,如文献[9]中将X波段的微带天线置于L波段微带天线的槽中.

(a) 交织式　　　　　　(b) 嵌入式图1　共口径天线结构

基于类似图1(b)的共口径结构,并融合MIMO技术,设计了一种覆盖TETRA数字集群通信800 MHz频段(806～866 MHz)和WLAN频段(5.15～5.825 GHz)的四单元双模式天线,其中WLAN天线采用MIMO技术提高其通信容量.通过优化天线结构,分析TETRA天线的开槽尺寸和凸形地板的高度对各天线性能的影响,设计了具有良好的端口隔离、天线增益和MIMO分集性能的多天线.

1天线结构及原理

多天线结构如图2所示.TETRA天线采用空气微带矩形贴片结构，矩形贴片尺寸为p1×p2，印刷在相对介电常数为2.2的Rogers 5880T介质板上,介质板尺寸为s1×s1，距离金属地板的高度为h1，金属地板尺寸为g×g，通过塑料螺钉与悬置的TETRA天线固定.高度h1的增大可有效展宽天线的阻抗带宽,但过长馈电探针引入的电感会造成馈电端失配,为此,在探针端引入圆片耦合馈电[10](图2(a)、(b)),通过圆片耦合产生的电容抵消探针的电感；耦合圆片的半径为r. 同时,在TETRA天线(贴片连同印刷介质板)上开3个矩形槽,矩形槽的尺寸为w1×w2(图2(c)),槽的中心位置恰好与WLAN天线1～3分别对应,以确保WLAN天线能有效辐射,从而实现四个天线的共口径设计.

(a) 爆炸图

(b) 侧视图

(c) 俯视图图2　多天线结构图

WLAN天线采用双层微带贴片结构[11],以实现宽频带性能并提高天线增益.上层方形寄生贴片的边长为p4,下层方形激励贴片的边长为p3,均印刷在尺寸为s2×s2的介质板上,悬置间隙为h3; 3个天线均安装在高度为h2的凸形地板上,且均由SMA探针穿过凸形地板馈电(图2(a)、(b)),WLAN天线1～3结构完全相同,用以实现MIMO天线的分集功能.值得注意的是,由于采用共口径设计,所以天线参数优化时除了关注单天线的性能之外,还需重点考虑各天线间的相互耦合.而影响TETRA/WLAN天线性能的关键参数是TETRA天线中的开槽尺寸(w1×w2)和WLAN天线中凸形地板的高度h2.

(a) TETRA天线 　　　　　　　　　　　　　　　　(b) WLAN天线1

(c) TETRA频段 　　　　　　　　　　　　　　　　(d) WLAN频段图3　开槽尺寸对天线增益和端口隔离度的影响曲线

(a) TETRA天线　　　　　　　　　　　　　　　　(b) WLAN天线1

(c) TETRA频段　　　　　　　　　　　　　　　　(d) WLAN频段图4　凸形地板高度对天线增益和端口隔离度的影响曲线

图3和图4分别给出了开槽尺寸和凸形地板的高度对天线增益和端口隔离度的影响曲线.从物理角度分析,在TETRA天线上开槽,会导致该天线的有效辐射面积减少,其辐射效率和增益会随着开槽尺寸的增大而降低,如图3(a)所示;而对于WLAN天线，开槽尺寸越大,TETRA天线对其遮挡越小,其辐射效率和增益会随着开槽尺寸的增大而增大,如图3(b)所示.此外,开槽尺寸越大,TETRA天线与WLAN天线1、WLAN天线2间的隔离度S(T,W1)和S(T,W2)也会越高.从图4可以看出,对于固定大小的开槽口,h2越大,TETRA天线的增益越低,而WLAN天线的增益越高.同时,从物理角度也很好理解,随着高度h2的变大,WLAN天线的辐射受TETRA天线的影响会变小,其增益会有提高,而对TETRA天线,其受WLAN天线的凸形地板的影响会变大,从而导致其增益有所降低.同样地,在WLAN频段内,TETRA天线与WLAN天线1、 WLAN天线2的端口隔离度S(T,W1)和S(T,W2)会变好,而在TETRA频段内,隔离度会稍变差.

因此,在选择w1×w2和h2的数值时,需要兼顾TETRA天线与WLAN天线的性能,如增益和端口隔离度．基于电磁仿真软件HFSS,优化后得到该天线的参数如表1所示.

表1　天线几何参数　　　单位:mm

2天线的仿真、测试与分析

2.1天线驻波比和端口隔离度

基于表1的参数实际制作了天线实物(见图5),并使用Agilent E8361C矢量网络分析仪对天线进行了驻波比和端口隔离度的测试.

图5　天线实物图

(a) TETRA天线　　　　　　　　　(b) WLAN天线1　　　　　　　　　　(c) WLAN天线2图6　天线端口驻波比曲线

(a) TETRA频段　　　　　　　　　(b) WLAN频段测试　　　　　　　　(c) WLAN频段仿真图7　天线间端口隔离度曲线

如图6所示,TETRA天线的仿真和测试驻波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)小于2的阻抗带宽分别为804.0～867.5 MHz和802.5～866.0 MHz; WLAN天线1(WLAN天线3与之相同)的仿真和测试阻抗带宽分别为4.90～6.10 GHz和4.95～6.10 GHz,WLAN天线2的仿真和测试阻抗带宽分别为4.85～6.10 GHz和4.90～6.10 GHz.可以看出,各天线的测试与仿真驻波比结果吻合较好,在TETRA频段和WLAN频段,均满足VSWR小于2.图7给出了各天线端口间的隔离度曲线,在TETRA频段和WLAN频段,仿真和测试的各天线间端口隔离度均超过22 dB.2.2包络相关系数

文献[12]通过等效耦合网络模型对MIMO天线的阵元互耦进行了分析和仿真验证,但并不能有效地反映MIMO天线的分集性能.而对于MIMO天线,包络相关系数(Envelope Correlation Coefficient, ECC)是衡量其分集性能的一个重要参数,可以在假设输入信号均匀分布,天线具有良好匹配的前提下,通过计算S参数得到MIMO天线的包络相关系数[13].因此,将测试的S参数代入公式(1)计算,得到在WLAN频段内,MIMO天线的ECC≪0.01，满足MIMO天线的分集要求,远小于文献[14]的门限值

(1)

2.3天线辐射方向图

图8给出了TETRA天线在806 MHz、836 MHz和866 MHz频点的H面和E面的测试和仿真归一化远场辐射方向图.由于TETRA天线的物理结构与YOZ平面对称,因而，其H面辐射方向图是对称的,交叉极化电平低于-15 dB;E面辐射方向图由于开槽缘故在90°<θ<130°会产生微小凸起,但其交叉极化电平低于-40 dB.此外,对于TETRA天线,接地板电尺寸仅为0.56λ0×0.56λ0(λ0是TETRA频段的中心频率所对应自由空间的波长),因此，其后瓣电平较高,前后比约为10 dB.图9、10分别给出了WLAN天线1和WLAN天线2在5.3 GHz、5.5 GHz和5.7 GHz频点的H面和E面的测试和仿真归一化远场辐射方向图.由于WLAN天线1在整个共口径天线中所处的物理位置,导致其主极化的最大辐射方向偏离轴向10°左右,交叉极化也随频率升高而变差,但其前后比超过20 dB.WLAN天线2的物理结构也与YOZ平面对称,因此，其H面辐射方向图也是对称的,其前后比也超过20 dB.

从图11可看出,在TETRA频段,天线的测试增益为6～7.45 dBi,在WLAN频段,天线1的测试增益为8.5～9.6 dBi,天线2的测试增益为8.0～10.2 dBi,比较测试与仿真增益,两曲线的趋势基本相同,吻合性较好,除了WLAN天线1的部分频点,其主要原因是开放式的外场测试环境,手动对调增益测试，存在一些误差所导致.

(a) H面(806 MHz,836 MHz,866 MHz)

(b) E面(806 MHz,836 MHz,866 MHz)图8　TETRA天线归一化远场辐射方向图

(a) H面(5.3 GHz,5.5 GHz,5.7 GHz)

(b) E面(5.3 GHz,5.5 GHz,5.7 GHz)图9　WLAN天线1归一化远场辐射方向图

(a) H面(5.3 GHz,5.5 GHz,5.7 GHz)

(b) E面(5.3 GHz,5.5 GHz,5.7 GHz)图10　WLAN天线2归一化远场辐射方向图

(a) TETRA天线　　　　　　　　　　(b) WLAN天线1 　　　　　　　　　(c) WLAN天线2图11　各天线的增益曲线

3结论

针对覆盖TETRA数字集群通信800 MHz频段(806～866 MHz)和无线局域网5 GHz频段(5.15～5.825 GHz)融合共口径技术和MIMO技术设计了一种新型的四单元双模式天线,实现了TETRA天线和WLAN MIMO天线的共口径设计,从而使天线结构紧凑,减小了天线的安装空间,并且WLAN天线采用MIMO技术,有利于提高系统的通信容量.仿真和测试结果表明,在TETRA频段和WLAN频段内,天线端口驻波比小于2,各天线间端口隔离度超过22 dB,且各天线的辐射特性良好,测试增益分别大于6 dBi和8 dBi,WLAN MIMO天线的包络相关系数远小于0.01,满足分集要求.除此之外,该天线还具有结构简单、易制作、成本低等特点,对用于车载安全指挥调度的集群通信天线设计有一定的参考价值.

参考文献

[1] SALKINTZIS A K. Evolving public safety communication systems by integrating WLAN and TETRA networks[J]. IEEE Communications Magazine, 2006, 44(1): 38-46.

[2] ZHOU X, QUAN X L, LI R L. A dual-broadband MIMO antenna system for GSM/UMTS/LTE and WLAN handset[J]. IEEE antennas and wireless propagation letters, 2012, 11: 551-554.

[3] LEE B,HARACKIEWICZ F J,WI H. Closely mounted mobile handset MIMO antenna for LTE 13 band application[J]. IEEE antennas and wireless propagation letters, 2014, 13: 411-414.

[4] BAN Y L, CHEN Z X, CHEN Z, et al. Decoupled closely spaced hepta-band antenna array for WWAN/LTE smartphone applications[J]. IEEE antennas and wireless propagation letters, 2014, 13: 31-34.

[5] AXNESS T A,COFFMANN R V,KOPP B A,et al. Shared aperture technology development[J]. Johns Hopkings APL technical digest, 1996,17(3): 285-294.

[6]孙竹, 钟顺时, 孔令兵, 等.宽带双波段双极化共口径SAR天线设计[J]. 电子学报, 2012, 40(3): 542-547.

SUN Z, ZHONG S S, KONG L B, et al. Design of broadband dual-band dual-polarized share-aperture SAR antenna[J]. Acta electronica sinica, 2012, 40(3): 542-547.(in Chinese)

[7] 钟顺时, 瞿新安, 张玉梅, 等. 共用口径S/X双波段双极化微带天线阵[J]. 电波科学学报, 2008, 23(2): 305-309.

ZHONG S S, QU X A, ZHANG Y M, et al. Shared aperture S/X dual-band dual-polarized microstrip antenna array[J]. Chinese journal of radio science, 2008, 23(2): 305-309.(in Chinese)

[8] QU X, ZHONG S S, ZHANG Y M, et al. Design of an S/X dual-band dual-polarised microstrip antenna array for SAR applications [J]. IET microwaves, antennas & propagation, 2007,1(2): 513-517.

[9] 蔡明娟, 尹家贤, 刘克诚.一种结构新型的双频双极化共口径微带天线[J].电波科学学报, 2006, 21(1): 121-125.

CAI M J, YIN J X, LIU K C. New dual-frequency and dual-polarization coplanar microstrip antenna[J]. Chinese journal of radio science, 2006, 21(1): 121-125.(in Chinese)

[10]CHEN Z N, CHIA M Y W. Broadband planar antennas: design and applications [M]. Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 2006.

[11]钟顺时. 微带天线理论与应用[M]. 西安:西安电子科技大学出版社,1991.

[12]王永巍, 姜兴, 侯轶. 用于MIMO基站双极化天线设计及阵元互耦分析[J].电波科学学报, 2010, 25(2): 373-376.

WANG Y W, JIANG X, HOU Y. Design of dual-polarized antenna used for MIMO base station and analysis of array element mutual coupling[J]. Chinese journal of radio science, 2010, 25(2): 373-376.(in Chinese)

[13]THAYSEN J, JAKOBSEN K B. Envelope correlation in (N,N) MIMO antenna array from scattering parameters[J]. Microwave and optical technology letters, 2006, 48(5): 832-834.

[14]VAUGHAN R G, ANDERSEN J B. Antenna diversity in mobile communications[J]. IEEE transactions on vehicular technology, 1987, 36(4): 149-172.

Design of trunked communication and WLAN multiple antenna used share-aperture technology

LI Yezhen1LIANG Xianling1JIN Ronghong2GENG Junping1HAO Qiang3

(1.SchoolofElectronicInformationandElectricalEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China；2.NationalKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonMicro/NanoFabrication,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China；3.StateGridDandongElectricPowerSupplyCompany,Liaoning118000,China)

AbstractTo cover terrestrial trunked radio(TETRA)communication of 800 MHz band and wireless local area network(WLAN) of 5 GHz band, a new fourelement dual-mode antenna is designed based on the aperture-sharing technology and the multiple-input multiple-output(MIMO)technology. WLAN band element are used the stacked structure and MIMO technique to increase the communication capacity. TETRA band element is used the air microstrip antenna and excited fed by a coupling circle patchwhich sharing aperture with WLAN elements to realize the compact struture. The simulated and measured results show that the TETRA element impedance bandwidth(VSWR less than 2)is 806-866 MHz and the gains are over 6 dBi; while the WLAN element impedance bandwidth is 4.9-6.1 GHz the gains are over 8 dBi. The port isolations are over 22 dB at both bands, furthermore, envelope correlation coefficients(ECCs)are less than 0.01 which satisfies the MIMO antenna standard.

Keywordstrunked communication; WLAN; share-aperture; MIMO; ECC

收稿日期：2015-06-10

中图分类号TN82

文献标志码A

文章编号1005-0388(2016)02-0211-08

DOI10.13443/j.cjors.2015061002

作者简介

李业振 (1990-),男,山东人,硕士研究生,研究方向为微带天线、短波天线设计.

梁仙灵(1978-),男,浙江人,副教授,主要研究领域为现代天线理论与技术、有源相控阵列、DBF阵列等,发表相关学术论文180余篇.

金荣洪(1963-),男,江苏人,教授、博士生导师,主要研究领域为电磁场理论、现代天线技术、电磁计算方法、天线信号处理、智能天线及相控阵天线等.

耿军平(1972-),男,陕西人,副教授,主要研究领域为电磁场理论、电磁计算方法,信号处理等.

郝强(1978-),男,高级工程师,主要研究方向为电子系统自动化.

李业振, 梁仙灵, 金荣洪, 等. 集群通信与无线局域网多天线共口径设计[J]. 电波科学学报,2016,31(2):211-218. DOI: 10.13443/j.cjors.2015061002

LI Y Z, LIANG X L, JIN R H, et al. Design of trunked communication and WLAN multiple antenna used share-aperture technology[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(2):211-218. (in Chinese). DOI:10.13443/j.cjors.2015061002

资助项目: 国家自然科学基金(61201058，61471240，61571298)

联系人： 梁仙灵 E-mail：liangxl@sjtu.edu.cn