一种双极化的MIMO超宽带方环缝隙天线设计

陈显明，刘书焕

（1. 西京学院，陕西 西安 710123；2. 西安交通大学，陕西 西安 710010）

研究与试制

一种双极化的MIMO超宽带方环缝隙天线设计

陈显明1，刘书焕2

（1. 西京学院，陕西 西安 710123；2. 西安交通大学，陕西 西安 710010）

设计了一种双极化的多输入多输出（MIMO）超宽带方环缝隙天线。该天线有4个天线单元，底层由2个方环微带馈电线构成，用于正交偏振。顶层由2个对称结构的方环构成，用于减少交叉极化。方环之间用矩形切口连接，以增加环缝之间的耦合。测量结果表明，该天线在3～12 GHz内隔离比大于22 dB，相关系数（ECC）在可以接受的范围内。该天线可以应用于MIMO超宽带通信系统中。

缝隙天线；极化天线；微带馈电；超宽带；MIMO；高隔离度

随着无线通信技术的发展，通信的传输质量和数据传输率需求都在不断提高。多输入多输出(MIMO)传输系统可以在很大程度上解决这一需求。超宽带天线实现分布式、极化多样性是有吸引力的，因为它的成本低，只需要一个单一的双极化天线，便可以增加信道的性能，双极化天线还可用于信息采集和雷达成像。双极化天线一般使用多层或三维结构，但不容易集成到便携式设备上，而且主要用在窄带无线通信系统中。然而研究双极化的 MIMO超宽带天线的文献非常少。MIMO超宽带天线系统的主要困难是实现隔离各单元之间的辐射问题。本文双极化的MIMO超宽带方环缝隙天线设计是为了隔离密集的超宽带辐射单元，通过改变缝隙的位置、大小及在方环之间用矩形切口连接来实现超宽带。通过仿真表明，该天线在 3～12 GHz内隔离比大于22 dB。满足超宽带天线的要求。最后根据仿真参数将天线加工成实物，测试结果与仿真结果基本吻合。

1 天线结构设计

本文所设计的超宽带天线见图1。

本文所设计的超宽带天线厚度为1.6 mm，相对介电常数为4.4。为了实现超宽带，天线的底层由接地面的两个方环缝隙组成。两个方环缝隙可以产生两个谐振频率，另外由于耦合作用将会产生差频谐振以及高频谐振，所以在一定频带范围内会产生多个谐振点[1]。为了在很宽的频带内使回波损耗都低于一定值，可以在方环之间用矩形切口连接，增加两缝之间的耦合。通过调整两缝隙的相对位置、缝隙宽度、切口位置以及切口大小等参数可以实现超宽带。顶层由50 Ω开路微带线耦合馈电，为了使内外方环都能更好地与微带线阻抗匹配，在微带线与内环对应的部分加一段匹配枝节。如图2，3缝隙标记为S1和S2。L1是一个窄缝隙，L2是一个金属条。随着天线结构的改进，天线的性能的变化曲线如图2，3所示。首先在地板的中心位置设计一个窄的矩形缝隙，产生一个线性偏振电场可以使天线具有良好的极化特性。通过减小微带馈电线中间的宽度，可以进一步地改善阻抗匹配。最后做成一个单臂缝隙，缝隙构成一个阶梯阻抗谐振器(SIR)[2-3]。谐振频率的表达式为：

图1 天线实物图Fig.1 Physical antenna

图2 S11和单臂、双臂、四臂缝隙天线的关系曲线Fig.2 Relation curve of S11and single Double, four arm slot antennas

式中：c为光速；Sh是缝隙长度。

式中：SiL为Li的长度；SiW为Li的宽度。Sh也可由（3）式计算。

图3 改进L1和L2的隔离度曲线Fig.3 Isolation degree curves of improving L1 and L2

两个相邻放置成直角的缝隙阶梯阻抗谐振器结构可以获得正交极化电场。这种缝隙方环结构的隔离度并不令人满意。可以通过改善缝隙连接结构来提高隔离度。如图3所示，隔离度的提高主要是通过调节L1和L2的长度实现的，从曲线中可以看出隔离度大于22 dB。从图4和图5的数据可以看出，长度L1影响较高频率的隔离度，金属条长度L2影响较低频率的隔离度[4]。L2确有明显的效果，特别是3～5 GHz频率范围。L2对反射系数没有明显的影响[5]。

图4 L1长度变化对隔离度的影响Fig.4 The influence of L1 length changes on isolation

图5 L2长度变化对隔离度的影响Fig.5 The influence of L2 length changes on isolation

2 测量结果与分析

采用三维电磁仿真软件CST进行天线仿真。优化天线制作尺寸，使用R&S ZVL矢量网络分析仪进行测量。测量和仿真的S参数和频率关系曲线如图6，隔离度关系曲线如图7所示。从这些数据可以看出，在3～12 GHz的超宽带频带范围内。隔离度大于22 dB。

图6 S参数和频率关系曲线Fig.6 Curves of S parameters and frequency

图7 隔离度和频率关系曲线Fig.7 Curves of isolation and frequency

选择不同的频率进行辐射特性分析，得到测量和仿真结果如图8所示。用黑色线表示圆的法线方向的增益，红色线表示切线方向的增益，其中实线表示测量结果，虚线表示仿真结果；左图为全向，右图为双向。从图中可以看到，仿真和测量的辐射特性是几乎完全相匹配的[6-8]。

相关系数（ECC）是超宽带天线分析的重要参数。ECC是表征天线信号衰落能力的。仿真和测量相关系数，如图 9所示。从图中可以看出，ECC＜0.005，其值在可以接受的范围内。相关性可以用下面的计算公式表示：

图8 辐射特性和频率关系曲线Fig.8 Curves of radiation characteristics and frequency

图9 ECC和频率的关系曲线Fig.9 ECC and frequency curves

3 结论

本文提出的双极化的MIMO超宽带方环缝隙天线具有较高的隔离度，该天线是由四个缝隙馈电臂构成的方环结构。通过适当分割缝隙单臂和馈线的宽度来改善超宽带阻抗匹配。测量隔离度超过22 dB。ECC测量结果在可接受的范围内，确保了该天线的性能。本设计可以应用于超宽带无线通信系统中。

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（编辑：陈渝生）

Design of a double polarization MIMO ultra-wideband square ring slot microstrip antenna

CHEN Xianming1, LIU Shuhuan2
(1. Xijing University, Xi’an 710123, China; 2. Xi'an Jiaotong University, Xi’an 710010, China)

A kind of double polarization MIMO ultra-wideband square ring slot microstrip antenna was designed. The antenna possessed four antenna units and the underlying consistsed of two square ring microstrip feeders to use the orthogonal polarization. The top was composed of two symmetric squarerings to reduce the cross polarization. Square ring connection applies rectangle incision to increase the coupling of the gap between two rings. Measurement results show that the segregation ratio of the antenna is more than 22 dB within 3－12 GHz, and the correlation coefficient (ECC) is in an acceptable range. The antenna can be used in MIMO UWB communication system.

slot antenna; polarization antenna; microstrip feed; ultra broadband; MIMO; high isolation

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.09.003

TN822.8

A

1001-2028（2017）09-0015-03

2017-08-01

陈显明

校科研基金资助项目（No. XJ120224）；国家自然科学基金资助项目（No. 61473237）；陕西省教育厅科研计划项目（No.14JK2165）

陈显明（1979－），男，吉林长春人，副教授，主要研究方向为无线通信与超宽带天线，E-mail: 379653565@qq.com 。

时间：2017-08-28 11:08

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170828.1108.003.html