雙頻MIMO印刷偶極子天線設計

摘要：文章設計了一種具有雙頻工作特性的偶極子多入多出（Multiple Input Multiple Output， MIMO）天線，通過在接地板上開矩形縫隙并添加音叉型寄生微帶枝節，達到了天線端口去耦合的目的，隔離度顯著改善。偶極子天線單元由2個矩形開口環構成，2個環形諧振器的尺寸不同。天線實現了雙頻工作特性。在端口反射系數不高于-10 dB的情況下，該MIMO天線在1.63～2.01 GHz和5.61～7.02 GHz 2個頻段內均實現了超過20 dB的隔離度。

關鍵詞：MIMO天線；印刷偶極子；雙頻段；隔離度；缺陷地結構

中圖分類號：TN828.4

文獻標志碼：A

0 引言

無線通信技術快速發展，移動用戶快速增加，海量的音頻視頻傳輸對提高通信系統信道容量提出了迫切要求。在增大信道容量和提高頻譜利用率等方面，多入多出（Multiple Input Multiple Output， MIMO）技術的優勢顯著。在終端通信設備中，采用MIMO天線技術可以明顯提高信道容量^［1］。然而，一般情況下，由于空間耦合波和地板表面波會造成天線單元間的耦合，從而降低天線端口隔離度。空間耦合波會對天線整體的輻射性能造成影響，比如：輻射方向偏差、增益降低等。另外，地板表面波則通過接地板傳輸，表面電流會通過接地板傳輸到其他端口，這時就會產生干擾。因此，如何降低天線單元之間的耦合，提高隔離度是MIMO天線設計的關鍵問題。

目前，提高隔離度的主要方法有寄生單元技術、缺陷地技術以及中和線技術等。Sarkar等^［2］設計了一個四端口MIMO天線，4個天線單元垂直放置，通過添加去耦合結構達到去耦合效果；Yu等^［3］將2個相鄰天線單元用2條中和線連接，使流過中和線的電流與流過接地板的電流流向相反，從而抵消，最終天線隔離參數S12均大于20 dB；Deng等^［4］設計的2個端口雙頻倒F天線，通過在接地板上開倒T型槽，使2個頻段隔離參數均大于15 dB；Soltani等^［5］在地板上開四分之一波長的矩形縫隙來實現去耦合目的，使隔離參數大于14 dB；李芷嫣等^［6］為提高天線之間的隔離度，在接地板中心引入T型槽和音叉型寄生枝節，使隔離度均大于19 dB；Liu等^［7］在2個強耦合的雙頻貼片天線上方放置一個具有雙頻解耦特性的超表面，使2個頻段隔離度均提升至25 dB。但是，文中采用的超表面設計過程復雜。以上諸多解耦方法中，添加寄生單元及在接地板開槽操作最為簡易，結構簡單且不會使天線尺寸增大。

本文提出了一種雙頻MIMO印刷偶極子天線，偶極子結構設計新穎，去耦合結構設計簡單，天線間的隔離度在2個工作頻段均能達到20 dB以上。

1 天線結構與工作原理

偶極子天線可看作由開路的雙導線演變而來^［8］。終端開路的理想平行傳輸線連接到交變的射頻信號源上，在雙導線的任意橫截面位置上，2根導線上的電流始終幅度相等、方向相反。若將開路雙導線張開180°，當總長度等于半波長時，則該結構構成半波對稱振子天線。此時，對稱振子的上下2個臂上電流同相，在遠處的空間不同位置上產生的電磁場相疊加，于是形成了開放的輻射系統。

圖1為本文提出的MIMO印刷偶極子天線結構。為了在微帶電路板上實現小型化的偶極子天線，本文將偶極子的2個臂折疊成2個開口環結構；為實現雙頻工作特性，本文采用了不同的尺寸2個開口環設計。內環（接饋線）通過電磁耦合激發外環（接地），從而等效為半波偶極子。基板底部的外環實現低頻段工作，基板頂部內環實現高頻段工作，通過調節環的尺寸，可使天線的諧振頻率工作在預設的兩頻段內。

該MIMO天線的每個端口都采用50 Ω的微帶線饋電，端口間的距離小于半波長時，耦合效應顯著。為保障在兩單元間距較小的情況下提高端口隔離度，筆者在2個天線之間的地面上采用了矩形缺陷地，附加音叉型寄生微帶枝節，通過優化結構尺寸，實現了天線間去耦合設計。

本文設計的雙頻MIMO天線印刷在厚度為0.8 mm的F4B-265的介質基板上，介質的損耗角正切tanδ=0.003，天線的結構參數如表1所示。

2 天線仿真與分析

2.1 MIMO天線的過渡結構

圖2（a）所示為在結構參數相同的前提下未加入去耦合結構的天線模型（背面），其端口散射參量即S參數的仿真結果如圖3所示。由圖3中數值曲線可以看出，未引入去耦合結構時，端口反射系數S11lt;-10 dB的2個工作頻帶范圍分別是1.7～2.01 GHz和6.07～6.64 GHz，2個諧振頻率分別為1.85 GHz、6.04 GHz。低頻段的隔離度僅有17 dB，此時兩天線單元之間電磁耦合較強。

為降低天線間的電磁耦合，在2個偶極子之間的地面上引入了矩形縫隙，如圖2（b）所示，從而可以提高天線端口間的隔離度，其散射參量的仿真結果如圖4所示。從圖4中數值曲線可以看出，天線端口隔離度均提高至20 dB以上，引入矩形槽后，兩頻帶范圍內的隔離度均有所提升，至少提高了3 dB。

2.2 引入寄生枝節的MIMO天線

為進一步降低天線單元間的耦合，在地面上引入矩形槽缺陷地的基礎上，該設計在2個偶極子之間引入了音叉型枝節，延伸至矩形槽與地面相連，形成MIMO天線的最終結構，即圖1所示天線。這里提出的去耦合結構有效限制了地面上的電流流動，圖5和圖6分別給出了1.81 GHz和6.01 GHz時未引入去耦合結構以及引入去耦合結構2種情形的整體電流分布。通過比較可以看出，耦合能量被束縛在去耦合結構中，從而提高了天線單元端口間的隔離度。

圖7是提出的MIMO天線的端口S參數曲線的仿真結果，與圖3結果對比可以看出，引入矩形槽和音叉型寄生枝節去耦結構后，天線的2個諧振頻率由原來的1.85 GHz和6.04 GHz移動到1.81 GHz和6.01 GHz，反射系數S11和S22均小于-10 dB的頻帶范圍分別為1.63～2.01 GHz，5.61～7.02 GHz。本文通過優化去耦合結構的尺寸，進一步減小了天線單元之間的距離，同時仍能夠保證兩端口之間的隔離度降低。仿真結果顯示，在2個天線端口間距為0.33 λ時，2個頻帶范圍內的隔離度均可達到24 dB以上，在低頻段的隔離度達到了29 dB。

3 天線加工測試與性能比較

該MIMO天線的設計是利用電磁場全波仿真軟件HFSS實現的，天線的阻抗測試環節是使用Agilent 5071C網絡分析儀完成的。圖8和圖9分別給出了天線實物圖和S參數仿真與實際測量曲線。

將測試結果與仿真結果進行比較發現，S11測試結果與仿真結果基本相同，S12測試結果與仿真結果存在差異，低頻端通帶內S12的測試結果優于-20 dB，高頻端通帶內優于-25 dB。測試結果表明，該MIMO天線在2個通頻帶內均具有良好的隔離度。測試結果與仿真結果的差別主要是端口焊接SMA接頭及測試誤差所致，這種誤差符合工程實際。

4 結語

本文提出的采用缺陷地附加音叉型枝節的去耦合結構大幅提高了雙頻偶極子MIMO天線的隔離度。研究結果表明該天線的反射系數滿足S11≤ -10 dB的通頻帶覆蓋1.63～2.01 GHz和5.61～7.02 GHz 2個頻段，2個頻段的隔離度分別達到了20 dB和25 dB，實驗研究與仿真設計結果吻合良好。該MIMO天線將在雙頻段無線通信中具有廣闊的應用前景。

參考文獻

［1］郭琳.移動終端MIMO天線關鍵參數及測試驗證方法研究［D］.北京：北京郵電大學，2016.

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［3］YU Y，YI L，LIU X，et al.Asia-Pacific Microwave Conference，December 6-9，2015［C］.Nanjing：IEEE，2015.

［4］DENG J Y，LI J Y，ZHAO L，et al.A dual-band inverted-F MIMO antenna with enhanced isolation for

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［6］李芷嫣，韓國瑞，陳新偉.應用于LTE的高隔離度MIMO天線設計［J］.測試技術學報，2020（6）：533-537.

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［8］韓榮蒼.電磁場與電磁波［M］.北京：電子工業出版社，2023.

（編輯 王永超）

Design of dual-band MIMO printed dipole antenna

YANG Suning， ZHANG Xin’ang， HAN Rongcang^*

（School of Physics and Electronic Engineering， Linyi University， Linyi 276000， China）

Abstract：A dual frequency （multiple input multiple output， MIMO） dipole antenna is designed in this article. A rectangular slot on the ground plane and fork-shaped parasitic microstrip branches are employed to improve the decoupling between antenna inputs， and the isolation is enhanced obviously. The proposed dipole consists of two microstrip split-ring， and realizes dual frequency characteristics because of the different sizes of the ring resonators. The proposed MIMO antenna demonstrates an isolation of much more 20 dB in both pass bands of 1.44～2.58 GHz and 4.97～6.15 GHz，while the port reflection coefficients both less than -10 dB.

Key words：MIMO antenna; printed dipole; dual band; isolation; defected ground structure