寬頻帶雙極化MIMO天線設計

劉永利，徐興貴，哈 達

（武警警官學院 四川 成都 610213）

1 引言

對于多天線的隔離手段一直是國內外學者專家的研究熱點，其中文獻[1]中就提出了以優化單元間的間隔為主要手段來提高隔離度，但是這種方法調整復雜并且以犧牲天線有限空間為代價。文獻[2]和[3]中則是采用改變接地面結構方法來提高隔離度，具體是在接地面開槽和增加延伸的枝節，為了可以實現提高多頻帶和寬頻帶MIMO天線的隔離度，在文獻[4]和[5]中采用的是一種電磁帶隙結構來提高隔離，這種方法提高隔離的同時會增加天線的尺寸和復雜度，不利于天線的小型化設計。依據目前多種極化隔離的天線大體可分為這么幾種：立體極化MIMO天線、多層極化MIMO天線、單層極化MIMO天線。為了實現寬帶化的要求，本文就以圓形的寬帶結構為基礎模型，結合天線極化分集的技術設計一款寬帶的極化MIMO天線。

2 寬帶極化MIMO天線的設計

本文以圓形結構為基礎模型，對其組陣然后設計出寬帶極化的MIMO天線，這款天線的介質材料選取常見的FR4型介質板，其介電常數為4.4，板材的厚度為1.6mm，尺寸為30mm×40mm。首先對圓形的單極子進行設計與研究。

通過建模和初步的仿真，得出單極子天線的回波損耗S11曲線如圖1所示。

圖1 圓形單極子回波損耗的S11曲線仿真圖

從上圖我們可以看出天線的回波損耗S11曲線在-10dB以下的工作頻段為2.1GHz～5.2GHz具有良好的寬帶性能。

依據上面的單極子天線模型，將其進行組陣設計，其組陣的結構如圖2所示。

圖2 簡單組陣后的天線結構圖

簡單組裝并對兩個單極子間參數a和b進行優化以便得到最佳的參數性能得到當參數a=9mm時天線的參數性能比較優良。

經過這兩個參數的優化最終設計出一款垂直極化的寬帶MIMO終端天線。該款天線的兩個單極子分居于介質板的兩個面上并且都采用共面波導饋電結構。

可知天線的測量值帶寬相比于仿真有200MHz的展寬，而隔離度優于-19dB與仿真的相差2dB，隔離性能略差一些，但是也已經符合了設計的標準實現了良好的隔離性能。

3 天線的對比討論

3.1 平行結構的圓形MIMO天線

本文為了形成鮮明的對比，得出垂直極化能夠提高天線的隔離度，本文以上面所設計的那一款天線為原形，基本尺寸不變，只是對兩個天線單元的位置進行重新的擺設，首先使其兩個圓形的天線單元，位于介質板的同一個面上而且這兩個天線單元的位置為平行放置，我們在軟件中構造出這款天線的三維立體模型仿真，得出這兩款作對比天線的參數S11、S22和S12的曲線仿真圖。這款極子平行放置的天線隔離度曲線S12在天線的工作頻段內只能優于-15dB，而其天線的回波損耗S22曲線，在-10dB以下的頻段非常窄，表明其單元的輻射性能不好。通過以上的結果對比分析，我們得出垂直極化可以提高天線的隔離性能。

3.2 兩個單元位于同一個面的MIMO天線

上面我們已經對垂直極化的隔離性能進行了驗證，在這里我們就驗證一下，MIMO天線中天線單元放置在介質板兩個面上能夠提高天線的隔離性能。我們還是在原天線的基礎上，尺寸不作改動，只改變了兩天線單元在介質板上的擺放位置，我們設計了一款兩個單元位于同一個面的MIMO天線。

通過建模仿真，我們得出這兩款對比天線的S11、S22和S12參數曲線仿真結果如圖3所示。

圖3 兩個單元位于同一個面的MIMO天線的S11、S22和S12的曲線仿真圖

4 結語

本款天線的結構尺寸為30mm×40mm，主要工作在IEEE802.11a與HIPERLAN/2頻段(5～6GHz)頻段內，其工作帶寬能夠達到2GHz，在其工作帶寬內實現了良好的隔離性能，符合了天線設計小型化寬帶化的要求。對比討論得知垂直極化是一種有效提高隔離的方法，并且天線的單元分居于介質板不同的兩個面上時也能一定程度上提高隔離性能。

[1] Hui Li,JiangXiong,and Sailing He,A Compact Planar MIMO Antenna System of Four Elements With Similar Radiation Characteristics and Isolation Structure[J],vol.8,no.2,pp.1107-1110,2009.

[2] Y.Luo,Q.Chu,andL.Zhu.Alow-profilewide-beamwidth circularly-polarized antenna via two pair of parallel dipoles in a square contour[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,Vol.63,no.3,pp.931-936,Mar. 2015.

[3] Jian-Feng Li,Qing-Xin Chu and Tian-Gui Huang,A Compact Wideband MIMO Antenna With Two Novel Bent Slits[J] IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION,VO L.60,NO.2,FEBRUARY 2012.

[4] C.Deng,Y.Li,Z.Zhang,and Z.Feng.A wideband sequentialphase fed circularly polarized patch array[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.62,no.7,pp.3890-3893,Jul.2014.

[5]郭騰.MIMO終端天線的寬頻帶/多頻段與低互耦設計[D],云南大學碩士學位論文,Jau 2012.