一種雙極化的MIMO超寬帶方環縫隙天線設計

陳顯明，劉書煥

（1. 西京學院，陜西 西安 710123；2. 西安交通大學，陜西 西安 710010）

研究與試制

一種雙極化的MIMO超寬帶方環縫隙天線設計

陳顯明1，劉書煥2

（1. 西京學院，陜西 西安 710123；2. 西安交通大學，陜西 西安 710010）

設計了一種雙極化的多輸入多輸出（MIMO）超寬帶方環縫隙天線。該天線有4個天線單元，底層由2個方環微帶饋電線構成，用于正交偏振。頂層由2個對稱結構的方環構成，用于減少交叉極化。方環之間用矩形切口連接，以增加環縫之間的耦合。測量結果表明，該天線在3～12 GHz內隔離比大于22 dB，相關系數（ECC）在可以接受的范圍內。該天線可以應用于MIMO超寬帶通信系統中。

縫隙天線；極化天線；微帶饋電；超寬帶；MIMO；高隔離度

隨著無線通信技術的發展，通信的傳輸質量和數據傳輸率需求都在不斷提高。多輸入多輸出(MIMO)傳輸系統可以在很大程度上解決這一需求。超寬帶天線實現分布式、極化多樣性是有吸引力的，因為它的成本低，只需要一個單一的雙極化天線，便可以增加信道的性能，雙極化天線還可用于信息采集和雷達成像。雙極化天線一般使用多層或三維結構，但不容易集成到便攜式設備上，而且主要用在窄帶無線通信系統中。然而研究雙極化的 MIMO超寬帶天線的文獻非常少。MIMO超寬帶天線系統的主要困難是實現隔離各單元之間的輻射問題。本文雙極化的MIMO超寬帶方環縫隙天線設計是為了隔離密集的超寬帶輻射單元，通過改變縫隙的位置、大小及在方環之間用矩形切口連接來實現超寬帶。通過仿真表明，該天線在 3～12 GHz內隔離比大于22 dB。滿足超寬帶天線的要求。最后根據仿真參數將天線加工成實物，測試結果與仿真結果基本吻合。

1 天線結構設計

本文所設計的超寬帶天線見圖1。

本文所設計的超寬帶天線厚度為1.6 mm，相對介電常數為4.4。為了實現超寬帶，天線的底層由接地面的兩個方環縫隙組成。兩個方環縫隙可以產生兩個諧振頻率，另外由于耦合作用將會產生差頻諧振以及高頻諧振，所以在一定頻帶范圍內會產生多個諧振點[1]。為了在很寬的頻帶內使回波損耗都低于一定值，可以在方環之間用矩形切口連接，增加兩縫之間的耦合。通過調整兩縫隙的相對位置、縫隙寬度、切口位置以及切口大小等參數可以實現超寬帶。頂層由50 Ω開路微帶線耦合饋電，為了使內外方環都能更好地與微帶線阻抗匹配，在微帶線與內環對應的部分加一段匹配枝節。如圖2，3縫隙標記為S1和S2。L1是一個窄縫隙，L2是一個金屬條。隨著天線結構的改進，天線的性能的變化曲線如圖2，3所示。首先在地板的中心位置設計一個窄的矩形縫隙，產生一個線性偏振電場可以使天線具有良好的極化特性。通過減小微帶饋電線中間的寬度，可以進一步地改善阻抗匹配。最后做成一個單臂縫隙，縫隙構成一個階梯阻抗諧振器(SIR)[2-3]。諧振頻率的表達式為：

圖1 天線實物圖Fig.1 Physical antenna

圖2 S11和單臂、雙臂、四臂縫隙天線的關系曲線Fig.2 Relation curve of S11and single Double, four arm slot antennas

式中：c為光速；Sh是縫隙長度。

式中：SiL為Li的長度；SiW為Li的寬度。Sh也可由（3）式計算。

圖3 改進L1和L2的隔離度曲線Fig.3 Isolation degree curves of improving L1 and L2

兩個相鄰放置成直角的縫隙階梯阻抗諧振器結構可以獲得正交極化電場。這種縫隙方環結構的隔離度并不令人滿意。可以通過改善縫隙連接結構來提高隔離度。如圖3所示，隔離度的提高主要是通過調節L1和L2的長度實現的，從曲線中可以看出隔離度大于22 dB。從圖4和圖5的數據可以看出，長度L1影響較高頻率的隔離度，金屬條長度L2影響較低頻率的隔離度[4]。L2確有明顯的效果，特別是3～5 GHz頻率范圍。L2對反射系數沒有明顯的影響[5]。

圖4 L1長度變化對隔離度的影響Fig.4 The influence of L1 length changes on isolation

圖5 L2長度變化對隔離度的影響Fig.5 The influence of L2 length changes on isolation

2 測量結果與分析

采用三維電磁仿真軟件CST進行天線仿真。優化天線制作尺寸，使用R&S ZVL矢量網絡分析儀進行測量。測量和仿真的S參數和頻率關系曲線如圖6，隔離度關系曲線如圖7所示。從這些數據可以看出，在3～12 GHz的超寬帶頻帶范圍內。隔離度大于22 dB。

圖6 S參數和頻率關系曲線Fig.6 Curves of S parameters and frequency

圖7 隔離度和頻率關系曲線Fig.7 Curves of isolation and frequency

選擇不同的頻率進行輻射特性分析，得到測量和仿真結果如圖8所示。用黑色線表示圓的法線方向的增益，紅色線表示切線方向的增益，其中實線表示測量結果，虛線表示仿真結果；左圖為全向，右圖為雙向。從圖中可以看到，仿真和測量的輻射特性是幾乎完全相匹配的[6-8]。

相關系數（ECC）是超寬帶天線分析的重要參數。ECC是表征天線信號衰落能力的。仿真和測量相關系數，如圖 9所示。從圖中可以看出，ECC＜0.005，其值在可以接受的范圍內。相關性可以用下面的計算公式表示：

圖8 輻射特性和頻率關系曲線Fig.8 Curves of radiation characteristics and frequency

圖9 ECC和頻率的關系曲線Fig.9 ECC and frequency curves

3 結論

本文提出的雙極化的MIMO超寬帶方環縫隙天線具有較高的隔離度，該天線是由四個縫隙饋電臂構成的方環結構。通過適當分割縫隙單臂和饋線的寬度來改善超寬帶阻抗匹配。測量隔離度超過22 dB。ECC測量結果在可接受的范圍內，確保了該天線的性能。本設計可以應用于超寬帶無線通信系統中。

[1] LU J, KUAI Z, ZHU X, et al. A high-isolation dual-polarization microstrip patch antenna with quasi-cross-shaped coupling slot [J]. IEEE Trans Antenna Propagation, 2011, 59(7): 2713-2717.

[2] GAO S, LI W, LEONG M S, et al. A broad-band dual polarized microstrip patch antenna with aperture coupling [J]. IEEE Trans Antenna Propagation, 2003, 51(4): 898-900.

[3] CHACKO B P, AUGUSTIN G, DENIDNI T A. Uniplanar slot antenna for ultrawideband polarization-diversity applications [J]. IEEE Antenna Wireless Propagating Lett, 2013, 12(2): 88-91.

[4] ZHANG S, YING Z N, XIONG J, et al. Ultra-wideband MIMO diversity antennas with a tree-like structure to enhance wideband isolation [J]. IEEE Antenna Wireless Propagating Lett, 2009, 8(3): 1279-1282.

[5] KUMAR R, KHOKLE R K, RAMKRISHNA R V S. A horizontally polarized rectangular stepped slot antenna for ultra wide bandwidth with boresight radiation patterns [J]. IEEE Trans Antenna Propagation, 2014, 62(7): 3501-3510.

[6] MAO C X, CHU Q X. Compact coradiator UWB-MIMO antenna with dual polarization [J]. IEEE Trans Antenna Propagating Lett, 2014, 9(2): 4474-4480.

[7] LIN S Y, HUANG H R. Ultra-wideband MIMO antenna with enhanced isolation [J]. Microwave Opt Technol Lett, 2009, 1(2): 570-573.

[8] KOOHESTANI M, MOREIRA A A, SKRIVERVIK A K. A novel compact CPW-fed polarization diversity ultra-wideband antenna [J]. IEEE Antenna Wireless Propagating Lett, 2014, 13(3): 563-566.

（編輯：陳渝生）

Design of a double polarization MIMO ultra-wideband square ring slot microstrip antenna

CHEN Xianming1, LIU Shuhuan2
(1. Xijing University, Xi’an 710123, China; 2. Xi'an Jiaotong University, Xi’an 710010, China)

A kind of double polarization MIMO ultra-wideband square ring slot microstrip antenna was designed. The antenna possessed four antenna units and the underlying consistsed of two square ring microstrip feeders to use the orthogonal polarization. The top was composed of two symmetric squarerings to reduce the cross polarization. Square ring connection applies rectangle incision to increase the coupling of the gap between two rings. Measurement results show that the segregation ratio of the antenna is more than 22 dB within 3－12 GHz, and the correlation coefficient (ECC) is in an acceptable range. The antenna can be used in MIMO UWB communication system.

slot antenna; polarization antenna; microstrip feed; ultra broadband; MIMO; high isolation

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.09.003

TN822.8

A

1001-2028（2017）09-0015-03

2017-08-01

陳顯明

校科研基金資助項目（No. XJ120224）；國家自然科學基金資助項目（No. 61473237）；陜西省教育廳科研計劃項目（No.14JK2165）

陳顯明（1979－），男，吉林長春人，副教授，主要研究方向為無線通信與超寬帶天線，E-mail: 379653565@qq.com 。

時間：2017-08-28 11:08

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170828.1108.003.html