一種基于中和線去耦結構的高隔離度WLAN天線設計分析

【關鍵詞】多輸入多輸出（MIMO）天線；中和線去耦；天線隔離度

引言

在當前的通信領域之中，無線移動通信發展得最為快速，同時也是最為活躍的領域。但是在無線通信技術快速發展的同時，用戶對于通信產品的要求越來越高，特別是對于設備數據的傳輸速率、信道質量、信道容量等需求越來越高[1]。為了實現更高的數據吞吐量以及更短的通信延遲，多輸入多輸出（MIMO）技術已經廣泛運用于第5代與第6代無線局域網（Wireless Local Area Network， WLAN）。面對筆記本電腦產品的日益小型化，新時期的筆記本電腦設計要求天線能夠同時實現盡可能多的功能，天線的小尺寸、寬頻帶以及高性能等是無線終端天線技術發展的迫切需要[2]。

已知常見的MIMO天線解耦技術有：分集技術、添加寄生枝節技術、缺陷地設計、去耦網絡技術等[3]。分集技術主要是利用對天線的擺放位置進行調整并達到改善MIMO天線單元間隔離度的目的，但其要求天線單元間的距離足夠大，因此很難實現天線小型化。其次，添加寄生枝節技術是通過在靠近天線單元的位置加入特定結構，通過利用雙耦合路徑使得寄生枝節產生反向耦合以減少天線單元間的耦合。缺陷地設計則是在天線單元的技術地板表面通過刻蝕縫隙形的方法形成地板缺陷地結構，將天線單元之間的耦合場轉換成為表面電流，對天線原有的表面電流分布進行改善，以此來實現MIMO天線單元間的弱耦合。針對筆記本電腦產品，大多數WLAN天線方案中參考地本身尺寸較小，并且一般參考地需要保證完整性。所以，缺陷地設計在筆記本上的應用相對較小。此外，去耦網絡技術主要是通過改變MIMO天線單元之間的阻抗匹配特性來阻擋表面電流的耦合，但是去耦網絡的結構或者電路設計往往比較復雜[4]。

針對上述的各種問題，本文設計了一種基于異形PCB結構的小型化高隔離度MIMO天線。通過利用金屬中和線來連接MIMO單元天線，然后在中和線上添加寄生枝結構來進行改進，使得單元天線具備了小型化、高隔離度的特性，所述方法具有較高的應用價值。

一、天線結構設計

本文提出的高隔離度MIMO天線在筆記本電腦的環境位置和天線結構分別如圖1（a）和圖1（b）所示。所述筆記本電腦的C殼為塑料材質，筆記本天線采用介電常數為4.3、損耗角正切為0.025的FR-4作為介質材料，基板厚度為0.4mm，由于天線凈空區域與C殼、D殼的卡勾結構干涉，天線為一種異形PCB結構，介質基板的長L、寬W分別為：90mm和9.2mm。

如圖2所示，單元天線采用PIFA形式，且單元天線輻射走線直接印制在介質基板上，中間通過帶有兩個彎折型寄生枝節的中和線進行連接。并且，MIMO單元天線分別采用50Ω同軸線饋電的激勵方式。

通過采用基于時域有限積分法的電磁仿真軟件CST對天線參數進行優化仿真，天線最終的結構尺寸如表1所示：

二、天線性能分析

本文MIMO天線的設計過程如下圖3所示，利用彎折型寄生枝節與中和線解耦設計來對單元天線之間的隔離度進行改善。其中彎折型寄生枝節結構的主要作用就是通過寄生單元結構的兩個相位相反的電流之間的相互抵消來對MIMO天線在高頻段的隔離度進行降低，中和線的作用則是用來降低單元天線在低頻段的耦合作用。

圖4和圖5分別給出了帶有寄生枝節中和線的MIMO天線在筆記本電腦處于Open開蓋模式與Close合蓋模式的S參數曲線。結果表明：所述MIMO天線在用于頻段內駐波良好，天線隔離度優良（S21 lt;-20 dB），能夠滿足筆記本電腦的天線應用要求。

圖6給出了開蓋和合蓋模式下天線隔離度的對比曲線。由圖可知，加入中和線結構后，合蓋模式，天線在2.4～2.5GHz頻段處，S21至少提升了5dB，在5.15～7.125GHz內大部分頻段提升了4dB；而開蓋模式下，在2.4～2.5GHz頻段處，S21至少提升了8.5dB，在5.15～7.125GHz頻段內至少提高了3dB。

同時，為了進一步弄清筆記本電腦MIMO天線實現高隔離度的原理，如下圖7所示，我們給出了有無中和線結構隔離差異較為明顯的低頻部分表面電流分布圖。結果顯示：添加合適的中和線結構能夠改變MIMO天線的場分布，進而使得單元天線端口之間的耦合變弱。

結論

本文提出了一種應用于筆記本電腦的小型化、高隔離度WLAN天線，具體通過在天線單元之間增加中和線結構實現MIMO天線良好的隔離度。通過電磁仿真軟件對天線進行仿真與優化，在2.4GHz、5GHz、WiFi-6E頻段的天線阻抗匹配良好，天線隔離度均小于-20dB，所述的天線解耦技術結構簡單，易于加工，有望廣泛地應用于筆記本電腦的WLAN天線設計。