雙頻段MIMO印刷偶極子天線設計

摘 要：該文設計一款雙頻段MIMO印刷偶極子天線系統(tǒng)，由2個天線單元組成，每個輻射單元由2個不同尺寸的微帶開口環(huán)組成。通過在地板上開方形柵格，減少了2個天線單元之間的耦合，提高天線端口間的隔離度，在2個工作頻段內(nèi)隔離度均高于25 dB。

關鍵詞：多輸入多輸出天線；隔離度；雙頻段；結構設計；輻射方向

中圖分類號：TN822 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）29-0056-04

Abstract： A dual-band MIMO printed dipole antenna system is designed in this paper， which is composed of two antenna elements， each of which is composed of two microstrip open rings of different sizes. By opening a square grid on the floor， the coupling between the two antenna elements is reduced， and the isolation between the antenna paSYnpSjLk5v1NiwGT1u8l7r3VJY8ywQ/fy1aowX4jXc=orts is improved， which is higher than 25 dB in the two working frequency bands.

Keywords： multi-input multi-output （MIMO） antenna; isolation; dual-band; structural design; radiation direction

近年來，現(xiàn)代通信技術的快速發(fā)展對系統(tǒng)容量和頻譜效率提出更高的要求，MIMO技術應運而生。由香農(nóng)定理可知，若想提高系統(tǒng)容量，需要從獨立信道數(shù)，有效帶寬以及信噪比3個方面進行改善。MIMO系統(tǒng)中收發(fā)端各有多根天線，發(fā)射機和接收機之間采用不同天線配置的組合，可以大大提高數(shù)據(jù)傳輸速率，同時也可以提高系統(tǒng)容量。然而，無線系統(tǒng)的迅猛發(fā)展給無線通信系統(tǒng)的設計提出了更嚴格的要求，例如更多的無線頻譜資源、更快的數(shù)據(jù)傳輸速率、更大的信道容量以及更小的天線尺寸等[1]。但是，隨著天線單元距離的不斷減少，天線單元間的耦合問題越來越嚴重，進而會影響MIMO天線系統(tǒng)的信道容量。

降低天線單元間互耦的方法很多。例如，文獻[2]引入緊湊平面螺旋線，文獻[3]采用中和線法，將2個相鄰天線單元用2條中和線連接，使流過中和線的電流與流過接地板的電流流向相反，從而抵消，提高隔離度。在文獻[4]中，在地板上開四分之一波長的矩形槽來實現(xiàn)去耦合目的，使隔離參數(shù)大于14 dB；在文獻[5]中，在U型輻射貼片之間引入電磁帶隙結構，將隔離度增加到15 dB以上。以上的諸多解耦方法中，采用缺陷地技術，在接地板開槽操作最為簡易，其結構簡單而且不會使天線尺寸增大。

本文提出了一種雙頻MIMO印刷偶極子天線，去耦合結構采用基于缺陷地技術的諧振縫隙，耦合電流被束縛在諧振縫隙中，所以天線隔離度顯著提高。

1 天線結構設計

1.1 天線單元結構

MIMO天線系統(tǒng)提出的雙頻段天線單元如圖1所示。為實現(xiàn)天線小型化，天線單元設計成由2個不同尺寸的矩形開口環(huán)構成的復合結構。其中，一個開口環(huán)接50 Ω的微帶饋線，另一個接地，開口環(huán)之間通過電磁耦合從而形成偶極子結構。開口環(huán)尺寸的差異是實現(xiàn)雙頻特性的基礎，并且通過調(diào)節(jié)環(huán)的尺寸可以控制諧振頻率在預設的兩頻段內(nèi)。內(nèi)環(huán)尺寸小，易實現(xiàn)高頻段諧振，而外環(huán)尺寸大易實現(xiàn)低頻段工作。

天線采用的介質(zhì)基板為FR4材料，其介電常數(shù)為4.4，損耗角正切值為0.02，基板厚度為0.8 mm。此外天線單元的每個元件饋電方式為同軸線饋電，該同軸電纜的內(nèi)部導體連接到印刷在基板正面的50 Ω微帶線上，外部導體焊接在基板背面的金屬地板上。采用全波仿真軟件HFSS 18.0對天線進行仿真優(yōu)化，得到了雙頻帶MIMO天線的幾何參數(shù)，列于表1中。

1.2 雙頻段MIMO天線系統(tǒng)

雙頻段MIMO天線結構示意圖如圖2所示。MIMO天線為對稱結構，為實現(xiàn)低耦合，采用缺陷地技術，在接地板上開槽來改變耦合電流方向，并形成諧振結構。其優(yōu)點是方便簡單，可操作性強，開槽縫隙沒有周期性的限制。并且地面結構的缺陷可以使電流通路得到延伸，結構可以產(chǎn)生空間帶阻效應，改變部分耦合電流的方向，減少較低頻段的2個輻射單元之間的耦合，從而實現(xiàn)了天線間去耦合設計。缺陷地縫隙的尺寸：WS=0.45 mm、LS1=18.6 mm、LS2=13.2 mm、LS3=9 mm。

2 天線性能分析

2.1 MIMO天線工作原理

在結構參數(shù)相同的前提下，未加入去耦合結構的天線模型（背面）如圖3（a）所示，其端口散射參量，即S參數(shù)的仿真結果如圖4所示。由圖4中曲線可以看出，未引入去耦合結構時，端口反射系數(shù)S11<10 dB的2個工作頻帶范圍是1.65～2.01 GHz和5.4～6.7 GHz，2個中心諧振頻率分別為1.9、5.9 GHz。低頻段的隔離度僅有17 dB，此時， MIMO天線的兩天線單元之間電磁耦合強，天線性能差。

為降低天線間的互耦，在2個輻射單元之間的介質(zhì)基板上引入方形柵格，其結構如圖3（b）所示。引入去耦合結構后的S參數(shù)仿真結果如圖5所示。由圖5中曲線可以看出，引入去耦結構后，天線的2個諧振頻率基本不變，天線端口反射系數(shù)S11<-10 dB的2個工作頻帶變?yōu)?.53～2.12 GHz和5.45～6.97 GHz，天線在2個頻段的隔離度均大于22 dB，且在低頻帶范圍內(nèi)的隔離度達到25 dB，與未引入耦合結構相比隔離度提高了8 dB。

2.2 隔離度性能

為進一步驗證隔離結構的有效性，下面給出了有無隔離結構的電流分布對比圖。這里提出的隔離結構即方形柵格可以使天線地板表面分布電流的流通路徑發(fā)生變化，削弱了從激勵端口流向耦合端口的地板表面電流。圖6和圖7分別給出了在1.9 GHz和5.9 GHz時未引入去耦合結構以及引入去耦合結構2種情形的整體電流分布圖?？梢钥闯觯敕叫螙鸥袢ヱ罱Y構后天線地板表面分布電流的流通路徑發(fā)生變化，削弱了從激勵端口流向耦合端口的地板表面電流，使耦合能量束縛在去耦合結構中，進而降低了耦合度，有效提高天線隔離度。

2.3 輻射方向圖

圖8給出了天線在2、5.8和6 GHz處的輻射方向圖。天線在3個頻點處的峰值增益分別為5.64、2.90、5.25 dBi，整體方向性良好。

圖9為天線俯仰面（Theta=0°）時仿真得到的天線增益隨頻率的變化曲線。從圖9中可以看出，天線在其工作頻段內(nèi)增益分別為2.3～5.3 dBi（1.53～2.12 GHz）和2.64～13.5 dBi（5.45～6.97 GHz），輻射性能較好。

2.4 天線實測結果

雙頻MIMO偶極子天線的實物照片如圖10所示。通過矢量網(wǎng)絡分析儀E5071C測量得到天線的S參數(shù)實測結果，如圖11所示。測試結果表明，S11<-10 dB時天線工作頻帶范圍為1.52～2.14 GHz和5.24～7.02 GHz，實現(xiàn)雙頻工作特性。天線在低頻段1.6～2.14 GHz工作頻段內(nèi)端口隔離度大于25 dB。天線在整個高頻段工作范圍內(nèi)隔離度均大于28 dB，實際隔離特性優(yōu)于仿真結果。

3 結束語

本文設計了一種利用缺陷地技術獲得高隔離度的雙頻MIMO天線。通過在介質(zhì)基板正反面加載不同尺寸的微帶開口環(huán)，實現(xiàn)雙頻特性。同時，將偶極子的2個臂折疊以減小天線尺寸，并且在地板上引入方形柵格，提高了天線端口間的隔離度。測試結果表明，天線在1.6～2.14 GHz和5.24～7.02 GHz工作頻段內(nèi)阻抗匹配良好，隔離度高于25 dB。此外，天線具有良好的對外輻射性能，在無線通信系統(tǒng)中具有一定的實際應用價值。

參考文獻：

[1] 劉志偉，結順利，吳喜亮，等.一種具有雙縫隙結構的雙頻寬帶MIMO天線[J].太赫茲科學與電子信息學報，2019，16（6）：1048-1053.

[2] XUN J H， SHI L F， LIU W R， et al. Compact dual-band decoupling structure for improving mutual coupling of closely placed PIFAs[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2017，16：1985-1989.

[3] YU Y， YI L， LIU X， et al. Mutual coupling reduction of dual-frequency MIMO array with neutralization lines[C]// 2015 Asia-Pacific Microwave Conference（APMC），IEEE，2015：1-3.

[4] SOLTANI S，LOTFI P，MURCH R D. A dual-band multiport MIMO slot antenna for WLAN applications [J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2016，16：529-532.

[5] KUMAR N， KIRAN K U. Meander-line electromagnetic bandgap structure for UWB MIMO antenna mutual coupling reduction in E-plane[J].AEU-International Journal of Electronics and Communications，2020，127：153423.