小型化超寬帶多輸入多輸出天線的設計

荀一峰，韓麗萍

（山西大學 物理電子工程學院，山西 太原 030006）

0 引言

超寬帶（UWB）技術憑借高數據傳輸速率、抗干擾能力較強等優點被應用于無線通信系統中［1］。而由于UWB 技術的低發射功率，UWB 技術也廣泛地應用在短距離無線通信領域，但會使通信質量降低，多徑衰落嚴重。使用多輸入多輸出（MIMO）技術可以提升信道容量［2-3］，克服多徑衰落［4-5］。近年來，研究者們將UWB 技術與MIMO 技術相結合，逐漸發展為超寬帶多輸入多輸出（UWB-MIMO）技術［6］。天線對于無線通信系統來說尤為重要，UWB-MIMO 天線也成為近年來研究者們研究天線的熱點之一［7-8］?；赨WBMIMO 天線隔離度的需求，天線單元距離一般需超過中心頻率的1/2 波長，使得天線尺寸較大，無法滿足現代的小型化通信設備［9-10］。如何在滿足UWB-MIMO 天線隔離度的同時實現天線小型化，成為了國內外學者研究的重要方向。

現階段改善小型化UWB-MIMO 天線隔離度的方法有加載解耦枝節［11-14］、中和線結構［15］、缺陷地結構［16］和EBG 結構［17］等。文獻［13］在地板上加載T 型枝節并刻蝕二階希爾伯特分形槽，天線在2.56 GHz～19.74 GHz 工作頻帶的隔離度大于15 dB，尺寸為0.31λg×0.51λg。文獻［15］采用缺陷地結構，在輻射貼片刻蝕Minkowski 分形槽，輻射單元間加載希爾伯特分形中和線，天線在3.05 GHz～13.50 GHz 工作頻帶的隔離度大于15 dB，尺寸為0.57λg×0.70λg。文獻［16］在地板上刻蝕T 型縫隙和矩形縫隙，改善隔離度和阻抗匹配，天線工作在3.1 GHz～10.6 GHz，隔離度大于18 dB，尺寸為0.48λg×0.56λg。文獻［17］通過在天線單元間加載EBG 結構，改善了隔離度，天線工作在2.5 GHz～12.0 GHz，隔離度大于15 dB，尺寸為0.47λg×0.47λg。以上文獻中天線隔離度都達到15 dB，但天線尺寸較大。在保持天線隔離度的前提下實現天線的小型化仍然是天線設計的迫切需求。

本文設計了一種小型化二端口超寬帶MIMO 天線。該天線由兩個加載C 型枝節的小型化超寬帶單極子對稱放置組成。在階梯型饋線兩側刻蝕一對矩形縫隙，實現天線單元小型化。地板刻蝕矩形槽，縫隙中加載T 型枝節，在T 型枝節兩側加載彎折線結構，提高天線隔離度。測量結果表明，該天線帶寬為2.5 GHz～10.8 GHz，隔離度大于17 dB，尺寸僅為25 mm×33 mm×1 mm，適合現代小型化超寬帶通信設備。

1 超寬帶MIMO 天線設計

1.1 天線結構

圖1 為天線結構示意圖。該天線采用的饋電方式為共面波導饋電，由兩個對稱放置的正七邊形單極子組成。在輻射貼片上加載C 型枝節，并在階梯型饋線兩側的地板上刻蝕一對矩形縫隙，實現超寬帶；接地板刻蝕矩形縫隙，縫隙中加載T 型枝節，在T 型枝節兩側加載彎折線結構，改善了隔離度。天線采用FR4 介質基板，相對介電常數為4.4，損耗角正切為0.02，厚度為1 mm。仿真優化后的幾何參數如表1 所示。

圖1 天線結構示意圖Fig.1 Structure of the proposed antenna

1.2 天線隔離度改善

圖2 為天線隔離度改善過程，Ant1 由兩個超寬帶單極子單元對稱放置組成MIMO 天線；Ant2 在中間地板刻蝕矩形縫隙，在縫隙中加載T 型枝節；Ant3 為本文所提出的二端口MIMO天線。圖3 給出了圖2 中MIMO 天線的S參數曲線。如圖所示，在天線演進過程中，-10 dB阻抗帶寬變化不明顯。Ant1 在工作頻帶范圍內隔離度大于5 dB。Ant2 在地板刻蝕矩形縫隙，在縫隙中加載T 型枝節，整個工作頻段范圍內隔離度均大于13 dB。Ant3 在T 型枝節兩側加載彎折線結構，天線在2.5 GHz～3.5 GHz頻段隔離度得到改善，工作頻段范圍內隔離度均大于17 dB。最終Ant3 的工作頻帶為2.5 GHz～10.8 GHz，工作頻帶范圍內的隔離度大于17 dB。

圖2 天線隔離度改善過程Fig.2 Improved isolation process of antenna

圖3 圖2中天線的S參數圖Fig.3 S parameters of antenna in Figure 2

為了進一步解釋T 型枝節和彎折線結構改善隔離度原理，對天線表面電流分布進行研究。圖4 給出了MIMO 天線在3 GHz 和7 GHz下的表面電流分布，端口1 被激勵，端口2 接50 Ω 匹配負載。如圖所示，Ant1 在3 GHz 和7 GHz時，端口2 存在較強耦合電流；Ant2 在3 GHz 和7 GHz 時，端口2 耦合電流明顯減少；在T 型枝節兩側加載彎折線結構演進為Ant3，在3 GHz時，端口2 耦合電流進一步減少。綜上所述，加載T 型枝節可以改善整個工作頻段范圍內的隔離度，加載彎折線結構可以進一步提高低頻段的隔離度。

圖4 天線表面電流分布圖Fig.4 Surface current distribution of antenna

2 參數分析

通過對所設計天線進行敏感性分析，發現T 型垂直枝節長度w7，彎折線的長度ls（2×l5+5×l4+6×w5）對天線單元間隔離度產生較大影響。

圖5 給出了不同T 型垂直枝節長度w7對天線S參數的影響。由圖5 可知，隨著w7的增大，天線-10 dB 阻抗帶寬幾乎不變，天線單元間隔離度先變好后變差。當w7從23.6 mm 增加到23.8 mm 時，工作頻段范圍內隔離度從10 dB 增加到17 dB；進一步增加w7到24 mm 時，3.0 GHz～5.5 GHz 頻段和6.5 GHz～8.5 GHz 頻段隔離度明顯降低。圖6 為彎折線長度ls變化時的S參數。從圖中可以看出，隨著ls的增大，天線-10 dB 阻抗帶寬幾乎不變，彎折線長度主要影響天線低頻段隔離度，2.5 GHz～4.0 GHz 頻段天線單元間隔離度先變好后變差。當ls從43.5 mm 增加到45.4 mm 時，工作頻段范圍內隔離度從11 dB增加到14.5 dB；進一步增加ls到47.3 mm 時，2.5 GHz～4.0 GHz 頻帶范圍內隔離度均大于20 dB。

圖5 不同w7對S參數的影響Fig.5 Effects of different w7 on S parameter

圖6 不同ls對S參數的影響Fig.6 Effects of different ls on S parameter

3 結果與討論

圖7 給出了所設計天線實物圖，該天線印制于FR4 介質基板上，使用矢量網絡分析儀測試所設計天線的S參數，使用自動天線測量系統測試所設計天線在E 面和H 面的二維輻射方向圖。

圖7 天線實物圖Fig.7 Photograph of antenna

圖8 為天線仿真和測試的S參數曲線。從圖中可以看出，實測結果與仿真結果基本一致。測試的工作頻帶為2.5 GHz～10.8 GHz，天線隔離度大于17 dB，表明天線在超寬帶范圍內具有良好的隔離度。

圖8 仿真和實測S參數圖Fig.8 Simulated and measured S-parameter curves

圖9 給出了端口1 在4 GHz、7 GHz、10 GHz時的天線輻射方向圖，仿真結果和測量結果基本一致，天線的輻射性能良好，表現為全向輻射。圖10 中給出了MIMO 天線仿真和實測的增益曲線。如圖所示，仿真結果和實際測量的增益曲線大致吻合，可以看出增益在0.2 dB～5.5 dB 之間波動。

圖9 天線輻射方向圖Fig.9 Pattern of antenna Radiation

圖10 仿真和實測天線增益曲線Fig.11 Simulation and measurement gain curves of antenna

對MIMO 天線而言，包絡相關系數可以用來說明其天線單元之間的相關性，較低的ECC則說明了該MIMO 天線具有較高的分集增益［18］，可接受的ECC 范圍一般小于0.3。ECC由下式計算

其結果如圖11 所示。本文天線的ECC 使用公式（1）加以計算?？梢园l現，在整個工作頻段范圍內，該天線的ECC 均小于0.005，說明該天線單元之間存在較低的相關性，并具備良好的分集特性。

圖11 天線的包絡相關系數Fig.11 Envelope correlation coefficient of antenna

最后，表2 給出了本文和文獻中超寬帶MIMO 天線的性能對比。由表可知，本文天線尺寸最小，隔離度僅小于文獻［16］。與文獻［16］中天線相比，本文天線的阻抗帶寬拓展為2.5 GHz～10.8 GHz，增益高達5.5 dB。綜上所述，本文天線覆蓋超寬帶頻帶范圍，天線性能最優。

表2 小型化超寬帶MIMO天線的性能對比Table 2 Performance comparison of miniaturized UWB MIMO antennas

4 結論

設計了一種小型化二端口超寬帶MIMO 天線。所設計MIMO 天線的工作頻帶是2.5 GHz～10.8 GHz，該頻帶范圍內的隔離度大于17 dB。天線的ECC 都小于0.005，表明該天線具備良好的分集性能。為便攜式超寬帶通信系統提供了很好地選擇。