一種小型化的高隔離度UWB-MIMO 天線

高明明 宋楊 南敬昌 李春晨

（1. 遼寧工程技術大學電子與信息工程學院, 葫蘆島 125105；2. 大連海事大學信息科學技術學院, 大連 116026）

引 言

多輸入多輸出(multiple-input multiple-output，MIMO)和超寬帶(ultra-wideband, UWB)是這個時代引領無線通信系統快速發展的關鍵技術[1]. MIMO 天線通過在無線通信系統的輸入和輸出端部署多個天線，提高了通信系統的信噪比、容量和數據率；并有助于減少多徑衰落，從而提高系統的性能[2]. 設計MIMO 天線系統時要考慮到有限空間的可用性，及各種天線單元之間的電磁隔離[3]. 高阻抗帶寬、低耦合、高隔離、低包絡相關系數(envelope correlation coefficient, ECC)和高分集增益(diversity gain, DG)是影響超寬帶MIMO 天線高效設計的主要因素[4]. 緊密放置的天線單元間會產生耦合電流，這種耦合電流會影響到天線的性能，為了與現代便攜式小型通信設備兼容，需要設計出結構緊湊的UWB-MIMO天線[5].

文獻[6] 通過在接地板上采用Minkowski 分形的缺陷地結構(defected ground structure, DGS)進行天線的去耦，天線尺寸為27 mm×42 mm，天線的隔離度為19 dB. 文獻[7] 在接地板上采用互補諧振環(complementary split ring resonator ,CSRR)結構進行去耦，天線尺寸為23 mm×29 mm，天線的隔離度為15 dB. 文獻[8]在天線單元之間加載F 形枝節，天線的隔離度大于20 dB，尺寸為50 mm×30 mm. 文獻[9]將兩個天線單元對稱放置在尺寸為19 mm×30 mm的FR4 介質基板上，并在天線單元上加載T 形接地結構，使得隔離度大于18 dB. 文獻[10] 采用I 形接地結構使得隔離度為18 dB，尺寸為40 mm×29 mm.文獻[11] 提出了一種四端口天線，尺寸為34 mm×34 mm，通過正交放置天線元件，并在天線單元之間放置矩形短截線，使得天線的隔離度達到了15 dB.文獻[12] 采用平面懸浮線(planar suspended line,PSL)技術提高隔離度，使天線隔離度達到21 dB，尺寸為20 mm×36 mm. 文獻[13]加載中和線技術在兩個天線單元之間，降低了天線單元之間的電流耦合，隔離度大于22 dB，尺寸為21 mm×34 mm. 文獻[14]通過加載電磁帶隙(electromagnetic band gap, EBG)結構，使尺寸為31 mm×26 mm 的兩端口UWB-MIMO天線的隔離度達到22 dB. 文獻[15]提出了一種地面分離的二端口UWB-MIMO 天線，使天線的隔離度大于15 dB，天線尺寸為42 mm×24 mm. 文獻[16]采用柵欄形結構的背板，使得天線的隔離度達到25 dB，尺寸為50 mm×35 mm. 文獻[17]采用正交放置兩個單元天線獲得兩正交分布的方向圖，使端口間的隔離度高于15 dB，天線尺寸為46 mm×46 mm，實現了2.95～11.2 GHz 的工作帶寬.

本文研究并設計了一種可以提高UWB-MIMO天線單元隔離的技術. 天線正面使用扳手形微帶饋線實現超寬帶的阻抗帶寬，背板采用類F 形接地板提高天線的隔離度. 設計的天線在3～13.5 GHz 工作頻帶內的隔離度高于22 dB，在提高帶寬和隔離度的同時實現了天線的小型化 (30 mm×18 mm)，非常適合集成到便攜式通信設備中.

1 天線設計

1.1 天線模型

該天線正面由兩個相同的扳手形微帶饋電的圓形輻射貼片組成，背板在類F 形接地結構的基礎上進行開槽處理. 結構如圖1 所示，兩個輻射元件和饋線設計在基板的頂部，地平面設計在基板的底部. 頂部貼片采用圓形貼片并排放置，采用扳手形饋線實現良好的阻抗匹配.

圖1 天線結構圖Fig. 1 The antenna structure

通過電磁仿真軟件HFSS 對天線參數進行優化，最終設計得天線尺寸為30 mm×18 mm×1.6 mm. 表1給出了UWB-MIMO 天線結構的最終優化尺寸.

表1 UWB-MIMO 天線尺寸Tab. 1 Demension of the UWB-MIMO antenna mm

1.2 天線結構設計分析

1.2.1 天線結構設計

圖2 為所提出天線的設計過程. 首先設計了一個簡單的圓形輻射器以獲得所需要的天線1；然后通過在地平面上加載I 形短截線改善隔離度，同時將矩形微帶饋線優化為階梯型微帶饋線，獲得了4～7.5 GHz 和8.3～10.5 GHz 頻段內的阻抗帶寬，得到天線2；改善天線2 的矩形微帶饋線為扳手形微帶饋線以擴寬天線的帶寬為3.2～12.9 GHz，同時優化I形短截線為雙I 形短截線，得到天線3，在4.1～12 GHz的頻段內隔離度已達到20 dB，但在3.1～4.1 GHz 頻段的隔離度仍不理想；為了達到更好的隔離效果，優化雙I 形短截線為類F 形短截線并進行開槽處理以獲得更好的隔離度，得到天線4，最終天線的阻抗帶寬為3～13.5 GHz，隔離度為22 dB.

圖2 天線結構的設計演變過程Fig. 2 The design evolution of the antenna structure

圖3 為4 種天線結構的S 參數仿真. 類F 形短截線的總長度為λ0/4 (λ0為5 GHz 處對應的波長)，對天線的隔離性能有很大的影響，具體有兩個作用：1)充當反射器，分離單元天線之間的輻射，從而減小單元天線之間的耦合. 從圖3(b) 可以看出，在整個UWB 帶寬中，類F 形短截線將隔離度提高到22 dB 以上，有助于提高同一頻率范圍內的隔離度.2)充當輻射器，并引入5 GHz 和6.8 GHz 兩個共振，如圖3(a)所示. 引入類F 形短截線有助于改善天線在整個超寬帶范圍內匹配較差的問題. 此外，在5 GHz 的低共振也將天線的低截止頻率移至3 GHz. 通過改變類F 形短截線的內部切槽形狀可以獲得更多的共振，以此提高單元天線之間的隔離度.

圖3 4 種天線結構的S 參數仿真Fig. 3 Simulation of S parameters of 4 antenna structures

1.2.2 天線表面電流分析

圖4 所示為3 GHz 處改進MIMO 天線的表面電流分布圖，并對地面的改變對天線隔離的影響作了進一步分析. 可以看出：圖4(a)中，隨著端口1 的激勵，大量的電流耦合到了端口2；圖4(b)中，引入I 形接地板降低了這種耦合效應；圖4(c)中，在雙I 形的接地板上，在第二天線的表面上只觀察到少許的電流；圖4(d)中，在第二天線的表面只觀察到細微的電流. 因此，通過接地面的改變實現了MIMO 天線的高隔離.

圖4 4 種天線步驟的表面電流分布Fig. 4 Surface current distributions of 4 antenna design steps

取不同頻點的天線4 呈現的電流分布來觀察天線的隔離程度，圖5 所示為當左側輻射元件被激勵時在2 GHz，6 GHz，8 GHz 和10 GHz 時的電流分布.通過激勵端口1，可以清楚地觀察到類F 形接地板對端口之間耦合電流的吸收，有效地提高了兩個單極子天線之間的端口隔離度.

圖5 不同頻點處天線4 表面電流分布Fig. 5 The surface current distribution of antenna 4 at different frequencies

2 實驗仿真與測量

2.1 S 參數

為進一步驗證本文設計的UWB-MIMO 天線性能，制作實物天線并進行測量，圖6 所示為UWBMIMO 天線的實物圖片.

圖6 UWB-MIMO 天線實物圖Fig. 6 Prototype of the UWB-MIMO antenna

該天線采用介電常數為4.4、損耗角正切為0.002、厚度為1.6 mm 的FR4 介質基板，天線的饋線末端連接SMA-K 型接頭. 通過矢量網絡分析儀測量天線的S 參數. 圖7 所示為UWB-MIMO 天線S 參數的實測和仿真結果，可以看出，天線具有3～13.5 GHz的阻抗帶寬，在阻抗帶寬內隔離度高于22 dB. 實測和仿真的S11和S21參數均基本一致.

圖7 UWB-MIMO 天線S 參數的仿真和實測值Fig. 7 S parameters of UWB-MIMO antenna: simulation and measurement

2.2 輻射特性

圖8 是UWB-MIMO 天 線 在4 GHz，7 GHz 和11 GHz 頻率下E 面和H 面上測得的端口1 或端口2 二維輻射方向圖. 可以看出：在低頻中頻時的方向圖是全方位的、穩定的，該天線在H 面表現出全方位的輻射特性，E 面的方向圖呈現“8”字狀；在較高頻率時由于高級模導致了輻射波瓣的分裂，高頻方向圖發生了畸變. 該UWB-MIMO 天線有利于接收和發送各個方向的信號，從而實現MIMO 的功能.

圖9 是天線的峰值增益和輻射效率隨頻率變化的結果，在工作頻帶內，天線的峰值增益大致為1.5～4.5 dBi. 另外，從圖9 還可以看到該天線在超寬帶頻段內具有較高的輻射效率，均大于70%.

圖9 UWB-MIMO 天線的峰值增益與輻射效率Fig. 9 The peak gain and radiation efficiency of the UWBMIMO antenna

2.3 分集增益(DG)

ECC 是一個重要的MIMO 性能參數，決定了天線元件之間的分集程度. 在理想環境下，ECC 值為零；但在實際設計加工時，達不到理想值. MIMO 天線元件必須滿足ECC＜0.5 的標準[18]，才能在MIMO天線元件之間實現更高的分集. 對于兩端口MIMO天線，使用式(1)來計算ECC，式(2)計算DG：

2.4 總有效反射系數(TARC)

對于多端口天線系統，相鄰的天線單元相互影響，同時影響工作時整體的工作帶寬和效率，僅依靠S 參數不足以預測實際的系統行為，因此引入新的度量方法，即總有效反射系數(total active reflection coefficient, TARC). 雙端口MIMO 系統的TARC 可以用式(3)來計算：

圖10 UWB-MIMO 天線的ECC 和DGFig. 10 Envelope correlation coefficient and diversity gain of the UWB-MIMO antenna

對于MIMO 系統來說，TARC＜0 dB 較為合理[19].

圖11 為UWB-MIMO 天線的TARC. 可以看出，在超寬帶范圍內TARC＜-10 dB，說明MIMO 耦合效應很低，較低的TARC 能確保MIMO 系統發送端和接收端的多個信道獨立，能夠有效地利用多徑的影響來提高系統容量.

圖11 UWB-MIMO 天線的TARCFig. 11 The TARC of the UWB-MIMO antenna

表2 為本文所提天線和參考文獻[6-16]中天線性能對比. 可以看出：本文天線的尺寸均小于文獻[6-16]，且比文獻[6-7，9，12-15]具有更寬的帶寬、更高的增益；本文天線的隔離度均高于文獻[6-13，15]，略低于文獻[14，16]，但比文獻[14，16]具有更小的尺寸、更寬的帶寬. 指標天線的帶寬尺寸比(bandwidth dimension ratio, BDR)可以明確地表明天線的緊湊性和寬頻帶特性[20]，本文的BDR 均高于文獻[6-16]. 總而言之，在天線性能相當的情況下，本文的尺寸在同類型中具有更緊湊的尺寸；在尺寸相當時，本文天線具有更高的性能.

表2 本文設計天線與以前文獻中天線對比Tab. 2 Comparison of antennas in references and this paper

3 結 論

本文提出了一種可以提高緊湊型超寬帶MIMO天線隔離性能的技術，通過改進F 形接地板來實現高隔離度，通過優化以確保其可能實現的最好性能.設計的天線可以實現3～13.5 GHz 頻帶內的阻抗帶寬，隔離度高于22 dB，ECC 非常低，同時具有良好的輻射特性、穩定的增益，說明該天線結構緊湊，具有良好的MIMO 性能，適用于現代通信系統.