一种小型化高隔离MIMO吸顶天线✴

黄聪，薛锋章

（华南理工大学电子与信息学院，广州510640）

一种小型化高隔离MIMO吸顶天线✴

黄聪，薛锋章

（华南理工大学电子与信息学院，广州510640）

提出了一种小型化高隔离MIMO吸顶天线设计方案。天线由水平极化印刷对数周期天线环形阵列内嵌于垂直极化单锥天线组成，并通过在单锥天线上正对对数周期天线轴处各开一个狭缝，实现了吸顶天线的全向辐射性能和双极化工作性能。嵌套结构的引入不仅大大减小了双极化吸顶天线的结构尺寸，还实现了吸顶天线极化间的高隔离性能。采用HFSS对其进行仿真和优化，得到该吸顶天线垂直极化工作频率为790～960 MHz／1 700～2 700 MHz，水平极化工作频率为2 300～2 700 MHz，同频隔离度优于44.5 dB，并且两个极化的增益和全向性均良好。该吸顶天线结构简单，便于加工制作，且成本较低，具有较高的实用价值。

MIMO天线；吸顶天线；双极化天线；小型化；高隔离度；印刷对数周期天线

1 引言

吸顶天线作为室内网络覆盖的一个关键部件，在移动通信室内分布系统中有着非常重要的应用［1-2］。当前，常见的吸顶天线主要为垂直极化应用，其主要形式有单极子天线［1］、单锥天线［3］、不对称双锥天线［2］等。但是垂直极化吸顶天线无助于缓解目前无线通信频谱资源日趋紧张的局面，并且不符合日后4G移动通信系统多天线技术的要求，因此设计一款能够大大提高通信系统频谱利用率和显著改善室内无线链路性能的MIMO吸顶天线，具有十分重要的现实意义。而对于室内分布系统，通道相关性是影响MIMO多天线系统性能的主要参数，通道之间无线信道相关性越小，越适合于使用MIMO多流传输，最终提高室内覆盖系统频谱利用率。为了保证不同各通道之间存在恒定的低相关性，引入了室内双极化吸顶天线［4］。

最近，国内外一些研究机构也对此课题做了一些较为深入的研究。例如文献［5］指出，使用由4～6个印刷对称振子组成的水平极化环形阵列架设于垂直极化不对称双锥天线中间，可实现吸顶天线的双极化辐射性能。但按此思路设计的吸顶天线，相对常规的吸顶天线而言尺寸较大，并且隔离度不高，通道相关性较大；另外还需用一个一进多出的功分器连接印刷对称振子，生产成本较高，且安装较为困难，不易实现。

本文在常规的单锥吸顶天线基础上引入了水平极化对数周期天线环形阵列，并采用嵌套的形式，在限定的尺寸内实现了吸顶天线的高隔离双极化工作性能。因此，它的尺寸相对目前的双极化吸顶天线来说大大减小，特别适于室内覆盖应用。

2 天线结构

双极化全向吸顶天线的仿真结构如图1所示。它由1块底板、1个开有狭缝的单锥和1块印有对数周期天线环形阵列的印制板组成。考虑到单锥天线具有宽频带特性以及吸顶天线的小尺寸要求，本设计采用了如图2所示的单锥天线作垂直极化设计［3］，并采用了耦合馈电的形式——首先在单锥顶端的中心轴位置增加一个与单锥电连接的空心圆柱导体，然后设计一个如图3所示的内芯加长的50Ω接头，将加长的内芯伸入到空心圆柱导体内部，通过该内芯耦合馈电到金属锥形辐射体。这样既便于安装又不损害单锥天线的宽频带性能。

另外，水平极化模块采用了一种新的水平极化全向天线形式，如图4（a）所示，将一定个数对数周期天线组成环形阵列印制于介质板上，模拟电流环工作，以此获得水平全向的方向图［6］。为了获得较好的全向性而又不至使结构过于拥挤，本文选用4个对数周期天线作阵列设计。其馈电方式如图4（b）所示，把对数周期天线交叉馈电的振子分别印刷在同一块厚度为1mm的FR4介质板的两面，集合线为平行双线，在环形阵列中心处并连，然后用同轴线在并连处直接馈电。由于4个对数周期天线直接并连组阵，省去了一个一分四的功分器，有效地降低了天线的复杂度以及制造成本。另外，由于本设计采用将水平极化模块嵌于垂直极化单锥内部的方式来实现吸顶天线的双极化工作性能，为利于水平极化全向天线将能量辐射到锥体外部而又不改变它的全向性能，根据电磁波的衍射理论，专门在锥体上正对对数周期天线轴处各开了一个狭缝。天线底板直径为200mm，锥体高度为88mm，水平极化天线直径为64 mm，嵌于离锥体顶端5 mm处，对数周期天线振子长臂为16mm，结构角约为60°。

3 仿真结果及分析

图5为吸顶天线驻波比。由图5可以看出，在790～960 MHz／1 700～2 700 MHz频段内吸顶天线垂直极化驻波比小于1.6，在2 300～2 700 MHz频段内水平极化驻波比小于2，阻抗特性良好。从图6所示的仿真结果可以看出，极化间同频段的隔离度优于-44.5 dB，两极化不相关程度较高，适于MIMO应用。此吸顶天线之所以具有较好的隔离度，是因为对于单锥天线而言，电流主要分布在锥体外表面，而由于水平极化模块嵌于锥体内部，锥体内腔对其起到屏蔽作用，因此锥体外表电流对它的影响也就很小，几乎可忽略。

图7 和表1为吸顶天线垂直极化方向图仿真结果，图8和表2为吸顶天线水平极化方向图仿真结果。从图7和表1可以看出，该吸顶天线垂直极化H面低频段不圆度小于0.03 dB，高频段不圆度小于0.14 dB。低频段增益稍低，但平均能达到1.14 dB，高频段平均增益达到6 dB。从图8和表2可以看出，该吸顶天线水平极化H面不圆度平均为0.82 dB左右，最差不超过1.4 dB。增益较为理想，最小能达到2.8 dB，平均在3.2 dB左右。由图7和图8可以看出，吸顶天线垂直极化最大增益方向随着频率的变化有较大的改变，但由于高频端天线增益较大，弥补了最大增益方向随频率改变的缺陷，因此其覆盖效果良好；而由于吸顶天线水平极化最大增益方向及最大增益均随频率改变不大，因此其覆盖效果也较好。总的来说，该吸顶天线的全向性及覆盖性能都较为理想。

另外，由于狭缝尺寸的选择对水平极化模块的驻波影响较大，在这里分别给出了不同狭缝长、宽尺寸对水平极化模块的影响，详见图9和图10。由图9和图10可以得出，水平极化天线模块的驻波比对狭缝尺寸的变化比较敏感，尤其是对狭缝的长度。

4 总结

本文基于嵌套的思想设计了一款小型化高隔离双极化吸顶天线。与传统的垂直极化吸顶天线相比，它能大大提高通信系统频谱利用率，并显著改善室内无线链路性能，同时其结构尺寸和隔离度也远优于目前的双极化吸顶天线。它能代替现网中的吸顶天线，适用于GSM／DCS／TD-SCDMA／TD-LTE／

WCDMA／CDMA2000等多制式系统的室内覆盖，具有很好的实用价值，为小型化宽频带双极化全向吸顶天线的研究提供了一种参考。下一步的研究重点是：在天线尺寸尽可能小的前提下进一步展宽水平极化的工作频带，并将其驻波比优化到1.5以下。

［1］薛锋章.一种用于移动通信的室内多波段吸顶天线：中国，02134538.4［P］.2005-05-04.

XUEFeng-zhang.An indoormulti-band ceiling-mounted antenna formobile communications：China，02134538.4［P］. 2005-05-04.（in Chinese）

［2］吴中林.吸顶天线：中国，02227464.2［P］.2003-06-25.

WU Zhong-lin.A ceiling-mounted antenna：China，02227464.2［P］.2003-06-25.（in Chinese）

［3］Aliakbarian H，Azarbadegan M，Danei M M，et al.Design of skull-cap endedmono-conical antenna for ultra-wideband systems［C］／／Proceedings of 2006 International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory. Kharkiv：IEEE，2006：121-123.

［4］曾召华.一种MIMO吸顶天线：中国，201562752 U［P］. 2010-08-25.

ZENG Zhao-hua.An ceiling-mounted MIMO antenna：China，201562752 U［P］.2010-08-25.（in Chinese）

［5］石萌，邓遥林，郭继权，等.一种双极化全向吸顶天线：中国，101916909 A［P］.2011-06-08.

SHIMeng，DENGYao-lin，GUO Ji-quan，etal.An omni-directional ceiling-mounted antenna with dual polarization：China，101916909 A［P］.2011-06-08.（in Chinese）

［6］Sergey S，WernerW.Ultra-broadband omni-directional printed dipole arrays［C］／／Proceedings of2005 Antennas and Propagation Society International Symposium.Washington DC：IEEE，2005：545-548.

HUANG Cong was born in Guangdong Province，in 1987.He is now a graduate student in School of Electronic and Information Engineering，South China University of Technology.His research direction is antenna formobile communications.

Email：hc04962＠qq.com

薛锋章（1963—），男，江西人，华南理工大学电子与信息学院研究员，主要研究方向为移动通信天线。

XUE Feng-zhangwas born in Jiangxi Province，in 1963.He is now a research fellow in Schoolof Electronic and Information Engineering，South China University of Technology.His research direction is antenna formobile communications.

Design of a Miniaturized Ceiling-mounted MIMO Antenna with High Isolation

HUANGCong，XUE Feng-zhang
（School of Electronic and Information Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Aminiaturized ceiling-mounted MIMO antenna with high isolation is proposed.The antenna ismade up by embedding a horizontally polarized circular array of four printed log-periodic antennas（PLPDAs）within a vertically polarized mono-conical antenna.And by opening four proper slits on themono-conical antenna which exactly face to the axis of each log-periodic antenna，it gets omni-directional patterns and good performances of dual-polarization.The introduction of a nested structure，not only greatly reduces the size of the structure，but also achieves high isolation.Using HFSS the ceiling-mounted antenna ismodeled and simulated.The operating frequency band for the vertically polarized part is790～960 MHz／1 700～2 700 MHz，and 2 300～2 700 MHz for the horizontal polarization，the polarization isolation is better than 44.5 dB，and the radiation patterns are good for both polarizations.The structure of the ceiling-mounted antenna is featured by simple structure，easy tomanufacture，lower cost and high practical value.

MIMO antenna；ceiling-mounted antenna；dual-polarized antenna；miniaturized；high isolation；printed log-periodic antenna（PLPDA）

TN82

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.11.021

黄聪（1987—），男，广东人，华南理工大学电子与信息学院通信与信息系统专业硕士研究生，主要研究方向为移动通信天线；

1001-893X（2011）11-0103-04

2011-07-11；

2011-08-23