三極化毫米波MIMO天線設計

（中國傳媒大學信息與通信工程學院，北京 100024）

1 MIMO技術

多輸入多輸出（multi-input multi-output，MIMO）是指在發射端和接收端同時使用多個天線來通訊的一項技術，它的實現方法之一是極化分集。學者們發現共址正交的電偶極子和磁偶極子可以獲得兩個獨立的通道，即實現雙極化。Roy B. V. B.Simorangkir等人設計了一個工作在2.45 GHz和5.8 GHz的天線，它有兩種正交的輻射模式TM11和TM02，其中TM11是微帶天線的輻射模式，TM02是類似單極子的輻射模式。

2 三極化天線

在雙極化的基礎上，學者們更進一步，開始研究三極化天線。N. K. Das等人設計了一個由雙極化圓形貼片和單極子組成的三極化天線，它先通過在X、Y軸上激勵微帶天線實現雙極化，再在Z軸加載單極子，構成與X、Y軸正交的第三極化。樸大志教授團隊設計了一種工作在3.5GHz的單層三極化天線。

本文基于文獻[3]的設計思路，提出一種基于微帶天線的工作在毫米波頻段（28GHz）的三極化MIMO天線。

3 三極化毫米波MIMO天線

本文所述天線由HFSS繪制和仿真。如圖1，圓形金屬貼片r=4.7mm，印制在位于xoy面的εr=2.2的介質Rogers 5880上，天線剖面厚度h=0.254mm。6個金屬通孔穿過介質板連接貼片和地板，通孔半徑r0=0.2mm，通孔到貼片中心的距離d=3.6mm。天線通過三個SMA接頭同軸饋電。

圖1 天線的設計模型

當端口1激勵時，產生全向輻射，等效于沿Z軸放置的電偶極子，電場在通孔內外側反向，極化方向沿Z軸，是單極子天線的TM02模式，參見圖2。當端口2或3激勵時，是微帶天線的TM11輻射模式，電場以貼片直徑為界分成兩個相反的方向，極化方向分別沿X軸和Y軸。由于2和3端口完全對稱，激勵效果一致，故本文只列出端口2激勵的結果，見圖3。

圖2 端口1激勵時的（a）電場圖，（b）xoy面方向圖，（c）yoz面方向圖

圖3 端口2激勵時的yoz面方向圖

由圖4可以看出，雙端口激勵時，天線能在同一頻率下工作，端口1的阻抗帶寬為27.15GHz—28.41GHz，端口2的帶寬為27.40GHz—28.86GHz。

圖4 S參數

通過仿真，本設計實現了同一頻率下的單極子輻射以及兩個正交微帶天線輻射，相當于一個豎直極化的電偶極子和兩個水平極化的磁偶極子。具體來說，就是當端口1、2、3分別激勵時，可以相應地獲得Z極化、X極化和Y極化的電磁場，即利用多個模式完成極化分集的三極化MIMO天線設計。

4 結束語

本設計通過極化分集為毫米波MIMO天線提供了解決方案。理論上，3個正交的電偶極子和3個正交的磁偶極子一共能提供6個空間自由度，即六極化。在5G通信呼之欲出的今天，可以成倍提高信道容量的MIMO技術，在通信領域的優勢會更加突出，勢必引領一代研究熱潮。