一種小型化超寬帶MIMO天線的設計

楊 闊，劉 川

(阿壩師范學院 應用物理研究所，四川 汶川 623002)

0 引言

早在19世紀末，學者們就對超寬帶和多入多出技術分別展開了研究。將二者結合所具有的能夠更大限度地提高信道容量和對抗多徑衰落的巨大優勢，使得UWB-MIMO技術成為了無線通信領域的大趨勢[1]。但由于MIMO天線的高隔離度要求，天線單元需要分置距離大于中心頻率對應的半波長度，這個條件無形中增加了天線的尺寸。如何滿足UWB-MIMO天線的高隔離度要求，同時盡可能地減小天線尺寸，適應人們對通訊設備的小型化要求，成了許多國內外學者研究的重要方向。現階段實現天線小型化的方法主要有：減小天線單元尺寸、減少天線數量和縮短天線單元間距、加入左手材料[2]等。其中，減小天線單元尺寸最為常見，主要有半切法[3-6]、運用互補結構[5-9]等方式。在MIMO天線提高隔離度的研究中，主要的方法是在地板上開槽[10-13]和增加各種隔離結構[14-16]，這2種方式都是通過改變電流路徑來降低天線單元之間的耦合。

本文根據半切法和增加“T”形隔離結構的方法，設計了一種結構簡單的小型化超寬帶MIMO天線。這使該天線尺寸降低到22 mm×28 mm，通過三維電磁仿真軟件HFSS設計優化，得出該天線的工作頻帶內隔離度達到15 dB以上，高頻段甚至達到了25 dB，滿足了小型化和高隔離度的要求。

1 天線結構設計

1.1 類圓形單極子天線

因為單極子天線具有尺寸小、頻帶寬和成本低等顯著特點，很多學者研究了單極子UWB天線，并在單極子天線的基礎上進行了多種改進。本文所采用的類圓形平面單極子天線如圖1所示，并采用HFSS軟件進行了仿真優化，得到整個天線的尺寸為22 mm×22 mm。

圖1 類圓形平面單極子天線Fig.1 Quasi-circular planar monopole antenna

類圓形平面單極子天線S11曲線如圖2所示。

圖2 類圓形平面單極子天線的S11曲線Fig.2 S11 curve of quasi-circular planar monopole antenna

由圖2中的S11參數結果可以看出，該單極子天線在頻率為6.7～9.7 GHz范圍內S11低于-10 dB，工作頻段較寬。

1.2 基于類圓形單極子天線的MIMO天線設計

為將該單極子天線設計為MIMO天線時減小天線尺寸，使用半切法來實現MIMO天線的小型化，如圖3所示。將類圓形單極子天線進行沿對稱中線進行切割，在保持同樣輻射頻帶的同時，輻射貼片面積減小了接近一半。但這種方法也有很大缺陷，就是不僅會導致天線的增益減小，還會使輻射方向變得不對稱。但是，如果將這種半切的天線設計為MIMO天線后經過進一步優化，使得2個單極子天線的方向圖的相對方向可以互補，則不僅可以彌補半切天線的缺陷，還能夠降低耦合度，提升天線的增益。

圖3 半切法小型化單極子天線Fig.3 Half cut miniaturized monopole antenna

本文將半切單極子天線設計為MIMO天線，天線結構如圖4所示，該天線為二單元天線，共有2個端口，平面尺寸為22 mm×28 mm，2個輻射單元分別位于介質基板正面的兩側并相互對稱。圖5是該天線的模擬S參數圖。

圖4 半切MIMO天線Fig.4 Half cut MIMO antenna

半切MIMO天線的參數如圖5所示。

圖5 半切MIMO天線的S參數Fig.5 S parameters of the half cut MIMO antenna

由圖6可以看出，S11低于-10 dB的頻率范圍有小幅度的增加(6.5～10 GHz)，但S21低于-10 dB 的頻率范圍較小，效果明顯偏差。這說明，該MIMO天線的隔離度還有待提高。

1.3 MIMO天線隔離結構的設計

為了更大程度地降低天線二單元之間的耦合，優化天線低頻段的輻射特性和匹配特性，在單元天線之間增加一個“T”形隔離帶與地板相連，天線結構及參數如圖6所示。

圖6 UWB-MIMO天線結構及參數Fig.6 UWB-MIMO antenna structure and parameters

因為T形隔離帶的對天線的S參數影響較大，以下主要對T形隔離帶的W1和L2兩個參數進行了優化分析。

圖7和圖8是分別對W1和L2參數掃描后的S參數曲線圖。從圖7可以看到W1的增大對天線的S11影響不大，但會使S21低頻端的最小值向更低的頻率偏移。從圖8可以看出，L2的值變化會明顯影響到天線的S參數。L2=12 mm時，天線在頻率為3.7 GHz的阻抗匹配良好，且S11在整個頻段可以達到最小值-39 dB。在L2逐漸增加到20 mm 的過程中，因為低頻的工作頻率偏移愈來愈大，導致匹配效果變差。同時S11最小值也有所增加，S21在整個頻段都呈惡化趨勢。說明T隔離枝節頂端的窄帶枝節并非越長越好，枝節太長會影響到天線的輻射性能和匹配性能。最后，本文選取了W1=0.8 mm和L2=12 mm作為優化后的參數值。

圖7 參數W1對天線S參數的影響Fig.7 Effect of parameter W1 on antenna S parameter

圖8 參數L2對天線S參數的影響Fig.8 Effect of parameter L2 on antenna S parameter

2 MIMO天線的設計結果

2.1 MIMO天線結構

經過對T型隔離結構的參數分析，本文設計的小型化UWB-MIMO天線的具體參數值如表1所示。

表1 UWB-MIMO天線的優化后的天線結構參數值Tab.1 The optimized structural parameters of the UWB-MIMO antenna mm

該天線的介質板為Rogers 4350 B，相對介電常數為εγ=3.5，損耗正切為 0.004。天線尺寸為22 mm×28 mm×0.8 mm，結構簡單，尺寸較小。

2.2 MIMO天線電流分布圖

圖9給出了天線在3.2 GHz加入隔離結構前后天線的電流分布對比圖(端口1饋電)。圖9(a)中沒有引入隔離結構，端口2出現了明顯的表面電流，這些電流均是從端口1耦合而來，說明天線單元之間的隔離度較差。圖9(b)引入了T形隔離結構后，端口2沒有出現明顯的表面電流，而隔離帶上出現了明顯的耦合電流，說明端口1和端口2的耦合通過隔離帶得到了有效抑制。

圖9 增加隔離帶前后MIMO天線的電流分布圖Fig.9 The current distribution of the MIMO antenna before and after adding the isolation belt

2.3 MIMO天線的主要性能參數

圖10給出了MIMO天線的S參數，可以看出，S21的低頻段完全下降到-10 dB，高頻段下降到-25 dB。S11在3.2～9.5 GHz范圍內能低于-10 dB，相對帶寬達到81.9%，達到UWB的標準。該天線最突出的優勢在于當S11在最低值-38.9 dB時，同頻率的S21能夠達到-26 dB，取值接近。低頻區域內的3.7 GHz頻點處，S11和S21的值有著明顯的同步下降，說明該天線增加的隔離帶很好的調節了輸入阻抗，使之能和天線達到匹配。圖11給出了天線在3.2 GHz處的E面方向圖，可以看出，由于引入了隔離帶，天線方向圖的對稱性受到一些影響。

圖10 MIMO天線的S參數Fig.10 S parameters of the MIMO antenna

圖11 E面方向圖(3.2 GHz)Fig.11 E plane pattern (3.2 GHz)

圖12給出了天線在3.2 GHz處3D增益方向圖，圖13給出了3～10 GHz頻段內的峰值增益曲線，可以看出增益在2.5～5.0 dB之間波動。

圖13 頻帶內天線的峰值增益曲線Fig.13 The peak gain curve of the antenna within the frequency band

3 結束語

MIMO天線的小型化和隔離度是MIMO天線在設計研究和應用時所要考慮的重要方面，同時也是難點。本文采用半切法和增加隔離結構的方法設計研究了一種小型化超寬帶MIMO天線，該天線具有較好的輻射性能和隔離度。結果表明，通過增加隔離結構，減小了天線的尺寸，同時改善了天線整體的性能，使得天線的隔離度大于15 dB，相對帶寬達到81.9%，該天線在超寬帶無線通信領域中有較好的應用價值。