一種緊湊的雙極化超寬帶MIMO天線設計

王榮榮，劉明偉

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

近年來超寬帶無線通信得到了學術界和業界的廣泛關注，人們對超寬帶天線也進行了大量的研究和設計。文獻[1]設計的超寬帶天線是在天線地板平面上開一個矩形槽來提高隔離度，但是設計的超寬帶天線阻抗帶寬過高。文獻[2]提出的雙極化超寬帶天線，實現了阻抗匹配，可是設計中沒有考慮天線的軸比問題。文獻[3]中設計的多輸入多輸出（MIMO）超寬帶天線，顯著地降低了多徑衰落的影響，然而設計的天線結構不緊湊，體積過大。綜上所述，現有的天線無法很好滿足超寬帶天線結構緊湊、體積小，抗多路干擾、減少信號衰減、高隔離度、阻抗匹配等要求。

本文設計了一種新型、緊湊的雙極化超寬帶MIMO天線，采用一個六邊形結構的貼片，實現了結構緊湊、體積小的目的，而且可以減少信號衰減、抗多路干擾等。在六邊形貼片的地板平面上接一個矩形垂直臂，實現了35%的3 dB軸比帶寬，以及兩個端口之間的隔離。同時，在矩形垂直臂中加入一個L型散熱器，提高了隔離度。該天線明顯減少了多徑衰落的影響，而且具有很高數據吞吐量。該天線可以應用于超寬帶無線通信系統。

1 天線結構設計

圖 1所示為天線的結構示意圖和實物圖，圖 1（a）為天線結構示意圖，圖1（b）為天線實物的正面，圖1(c)為天線實物的底面。設計的超寬帶MIMO天線相對介電常數為 4.4，天線尺寸為 25 mm×25 mm×1.6 mm。天線由一個六邊形貼片組成，它有兩個L型的散熱器，用來提高隔離度和實現阻抗匹配[4]。矩形垂直臂尺寸為L1×W1。六邊形的半徑為12 mm，天線采用50 Ω微帶線饋電，饋線末端帶有圓形調諧枝節，為了改善軸比帶寬，在饋電點下方的地板上挖一個矩形缺口，形成漸變結構阻抗帶寬，尺寸大小為L2×W2。獲得的中心頻率約為7 GHz，可以利用下面的公式對中心頻率進行計算[5]：

圖1 天線結構示意圖和天線實物Fig.1 Antenna structure schematic and antenna object

式中：c為光速；R為六邊形的半徑；εr為相對介電常數；fc為中心頻率。

在設計天線的過程中，首先是在地板上開兩個寬槽，由于這種做法隔離度低，所以在寬槽內加上兩個反射條，用于提高隔離度和激發無線通信鏈路頻率的圓極化波輻射，為了更好實現阻抗匹配，在天線中又引入L型散熱器，導致了軸向比的下降，最后，在地板上開一個矩形缺口，來提高軸比帶寬。采用三維電磁仿真軟件 CST對天線設計的幾個階段進行仿真，仿真結果如圖2所示，為S11參數和頻率的關系曲線，圖3所示為隔離度和頻率的關系曲線[6]。

圖2 S11參數和頻率的關系曲線Fig.2 The relation curves of S11 parameters and frequencies

圖3 隔離度與頻率的關系Fig.3 The relationship between isolation and frequency

從圖2和圖3中可以看出，天線設計結構的不斷改進優化，其性能在不斷地提高，使得最終加工出的實際天線性能可以滿足超寬帶MIMO天線的應用[7]。

2 測量結果和討論

采用三維電磁仿真軟件CST進行天線仿真。使用R&S ZVL矢量網絡分析儀分別對圓極化軸比、天線增益和輻射特性進行測量。仿真和測量的S11參數和頻率的關系如圖4所示。圖5所示為天線的仿真和測量的軸比（AR）和頻率的關系曲線；圖6所示為天線的仿真和測量增益和頻率的關系曲線。天線增益在2 dBi到5 dBi之間，測量的天線峰值增益在10 GHz 下為 5 dBi[8]。

圖4 S11參數和頻率的關系曲線Fig.4 The relation curves of S11 parameters and frequencies

圖5 AR與頻率的關系曲線Fig.5 The relationship between AR and frequency

圖6 天線增益和頻率的關系曲線Fig.6 The relationship between antenna gain and frequency

如圖7所示，選擇不同的頻率進行輻射特性分析，分別在5，7和9 GHz仿真和測量輻射特性，用紅色線表示仿真結果，用藍色線表示測量結果。可以觀察到這種緊湊的MIMO天線具有極化多樣性，從而達到高隔離的目的[9]。

天線的仿真和測量隔離度如圖8所示。從圖可以看出，在3.0～10 GHz帶寬內隔離度大于15 dB[10]。

包絡相關系數（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。圖9所示為仿真和測量的包絡相關系數結果。從圖中可以看出，ECC的測量值小于0.01。相關性可以用下面的計算公式表示[9]：

圖7 輻射特性Fig.7 Radiation characteristics

圖8 隔離度和頻率關系曲線Fig.8 Curves of isolation and frequency

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

3 結論

設計了一種緊湊的雙極化超寬帶MIMO天線，其具有較高的隔離度，通過在寬槽內加上兩個反射條，并引入L型散熱器，使天線的性能改善，測量的隔離度大于15 dB。ECC測量結果在可接受的范圍內，天線可以應用于超寬帶無線通信系統中。

參考文獻：

[1]KUMAR R, KHIKLE R K. A horizontally polarized rectangular stepped slot antenna for ultra wide bandwidth with boresight radiation patterns [J]. IEEE Trans Antennas Propag, 2014, 62(7): 3501-3510.

[2]LI Y, ZHANG Z, CHEN W, et al. A dual-polarization slot antenna using a compact CPW feeding structure [J]. IEEE Antennas Wireless Propag Lett, 2010, 9(3): 191-194.

[3]LI J F, CHU Q X, LI Z H. Compact dual band notched UWB MIMO antenna with high isolation [J]. IEEE Trans Antennas Propag Lett, 2013, 9(6): 4759-4766.

[4]MAO C X, CHU Q X. Compact radiator UWB-MIMO antenna with dual polarization [J]. IEEE Antenna Wireless Propag Lett, 2014, 9(1): 4474-4480.

[5]LIU X L, WANG Z D, YIN Y Z, et al. A compact ultra-wideband MIMO antenna using QSCA for high isolation [J]. IEEE Antennas Wireless Propag Lett, 2014,13(3): 1497-1500.

[6]GAO P. Compact printed UWB diversity slot antenna with 5.5 GHz band-notched characteristics [J]. IEEE Antennas Wireless Propag Lett, 2014, 13(6): 376-379.

[7]ROSHNA T K, DEEPAK U, SAJITHA V R, et al. Coplanar stripline-fed compact UWB antenna [J]. IEEE Electron Lett,2014, 50(17): 1181-1182.

[8]QUINTER O, ZURCHER G. System fidelity factor:a new method for comparing UWB antennas [J]. IEEE Trans Antennas Propag, 2011, 59(7): 2502-2512.

[9]GAUTAM A K, YADAV S, KANAUJIA B K. A CPW-fed compact UWB microstrip antenna [J]. IEEE Antennas Wireless Propag Lett, 2013, 12(1): 151-154.

[10]ARYA A K, AZIZ R S, PARK S O. Planar ultra-wideband printed wide-slot antenna using fork-like tuning stub [J].Electron Lett, 2015, 51(7): 550-551.