淺談無線通信系統中小型化MIMO天線的研究與設計

王杰群 大連交通大學電氣信息學院

引言：如何在空間有限的前提下，實現多個MIMO天線的同時布局，以達到提高數據傳輸速率的目標，已經成為了當下研究人員深入研究MIMO技術的主要論題之一。另外，小型化MIMO天線在無線通信系統中的創新設計將會成為影響到通信行業未來發展方向的重要因素，需要加大研發與創新力度，盡快促進高速度寬帶無線接入網的實現，滿足移動終端設備的多功能設計需求。

1 基于寄生元去耦法小型化MIMO天線設計

1.1 強耦合小型化MIMO天線的設計

目前，在單元之間添加寄生單元是達到天線低耦合目標的重要方法之一。由于寄生單元富含多元化的形式，能夠結合天線的結構及功能需求進行靈活的設計，具有較強的使用性能,因此本章主要闡述一款基于2.4GHz WLAN頻帶的緊湊型小型化MIMO天線。

從結構上看來，這款強耦合天線的介質板上面主要放置了天線單元的對角，下面則是方形的底板。根據標準計算公式，能夠計算出介質板的介電常數εr=4.4，尺寸為W×L=20mm×60mm，整體厚度h=0.8mm。值得注意的是，引進寄生單元之后天線的自阻抗性能也會受到影響，通過觀察測繪小型化MIMO天線單元內的S參數曲線情況便可得知，只有處于2.85GHz階段時，本節設計的天線單元才能保持較低的單元隔離度以及較好的諧振，能夠順利進行阻抗匹配。

1.2 低耦合小型化MIMO天線的設計

本節設計了低耦合小型化MIMO天線，因為這里需要運用矩形寄生單元來完成天線之間的低耦合，所以天線之間的隔離程度會受到寄生單元尺寸的影響。在設計過程中能夠看到寄生單元長度以及寬度的變化情況，明顯會對天線的耦合情況產生影響，但是卻幾乎無法影響到天線的波形[1]。綜合本節的研究可以得知，雖然引進寄生元能夠緩解MIMO天線之間出現的耦合問題，但是一定會對天線的阻抗匹配性能產生影響，所以在設計的時候一定要對天線耦合以及匹配這兩個問題進行綜合考量。

2 S參數法基礎上的小型化MIMO天線設計

基于S參數法基礎上設計小型化MIMO天線時，針對天線的耦合情況，本節主要給出兩種設計方案進行分析比較。第一方案中的去耦網絡主要由長度6mm傳輸線并聯1PF電容而組成。觀察得到的S參數曲線便可以得知，在增添去耦網絡之后，天線單元之間的耦合程度明顯從-4dB降低到了-20dB，但是從天線單元之間的匹配上來看，還是產生了良好的匹配效果。雖然增添去耦網絡能夠顯著提升天線單元間的隔離度，但是S參數曲線中的最大隔離度在17dB上下徘徊，不太符合天線單元工作頻帶全部高于15dB的要求[2]。

改進后的第二方案在分析縫隙寬度以及長度對天線的影響后，能夠發現縫隙寬度明顯會影響到頻段內的隔離度以及天線單元諧振頻譜。在縫隙寬度由1.0mm降到0.4mm的時候，諧振頻譜會經歷從低頻到高頻的歷程，使得天線的特性趨于最佳。也就是說，地板上存在的公共電流可以成為增強天線單元間耦合的重要因素，因此可以通過改變地板電流分布的方式，降低小型化MIMO天線狹小單元間隙之間的耦合程度，實現S參數法基礎上小型化MIMO天線的設計。

3 新型高隔離度小型化MIMO天線的設計

綜合第二節的分析可以得知改變地板電流能夠提升MIMO天線間的隔離度，所以本節要闡述建立在增添傳輸線，以及改動地板縫隙結構基礎上的新型高隔離度小型化MIMO天線。首先要在介質板上添加兩節傳輸線、在地板上添加縫隙結構，之后便可以發現傳輸線的長度、縫隙距離O點的距離都會影響到天線的隔離度。綜合上述分析，本節設計一款采用基于曲折形單極子天線的小型化雙頻MIMO天線，縫隙尺寸選為1.5mm×11mm。通過對天線結構參數樣品進行加工實測后，發現仿真數據分析結果能夠與實測結果產生良好的吻合效果，而且在2.34-2.50GHz和5.45-5.75GHz頻帶上，天線的回波損耗超出了10dB,單元格力度也能大于15dB，說明天線信號具有較好的分集增益，此次小型化MIMO天線設計具備可行性。

結束語：綜上所述，隨著B3G、4G時代的深入發展，移動通信終端設備的發展極大的便捷了人們的日常生活，真正將世界各國的人們連接成了一個共同體。但是與此同時，也要看到頻譜資源緊張可能會導致的嚴重問題，繼而深入研究MIMO技術。小型化MIMO天線能夠將無線通信系統的系統通信容量成倍的擴展，恰好符合無限通信對于網絡大信道容量的研發需求。

[1]楊子賢.無線通信系統中小型化MIMO天線的研究與設計[D].電子科技大學,2016.

[2]史超.無線移動終端的小型化MIMO天線的研究與設計[D].南京信息工程大學, 2014.