三极化毫米波MIMO天线设计

（中国传媒大学信息与通信工程学院，北京 100024）

1 MIMO技术

多输入多输出（multi-input multi-output，MIMO）是指在发射端和接收端同时使用多个天线来通讯的一项技术，它的实现方法之一是极化分集。学者们发现共址正交的电偶极子和磁偶极子可以获得两个独立的通道，即实现双极化。Roy B. V. B.Simorangkir等人设计了一个工作在2.45 GHz和5.8 GHz的天线，它有两种正交的辐射模式TM11和TM02，其中TM11是微带天线的辐射模式，TM02是类似单极子的辐射模式。

2 三极化天线

在双极化的基础上，学者们更进一步，开始研究三极化天线。N. K. Das等人设计了一个由双极化圆形贴片和单极子组成的三极化天线，它先通过在X、Y轴上激励微带天线实现双极化，再在Z轴加载单极子，构成与X、Y轴正交的第三极化。朴大志教授团队设计了一种工作在3.5GHz的单层三极化天线。

本文基于文献[3]的设计思路，提出一种基于微带天线的工作在毫米波频段（28GHz）的三极化MIMO天线。

3 三极化毫米波MIMO天线

本文所述天线由HFSS绘制和仿真。如图1，圆形金属贴片r=4.7mm，印制在位于xoy面的εr=2.2的介质Rogers 5880上，天线剖面厚度h=0.254mm。6个金属通孔穿过介质板连接贴片和地板，通孔半径r0=0.2mm，通孔到贴片中心的距离d=3.6mm。天线通过三个SMA接头同轴馈电。

图1 天线的设计模型

当端口1激励时，产生全向辐射，等效于沿Z轴放置的电偶极子，电场在通孔内外侧反向，极化方向沿Z轴，是单极子天线的TM02模式，参见图2。当端口2或3激励时，是微带天线的TM11辐射模式，电场以贴片直径为界分成两个相反的方向，极化方向分别沿X轴和Y轴。由于2和3端口完全对称，激励效果一致，故本文只列出端口2激励的结果，见图3。

图2 端口1激励时的（a）电场图，（b）xoy面方向图，（c）yoz面方向图

图3 端口2激励时的yoz面方向图

由图4可以看出，双端口激励时，天线能在同一频率下工作，端口1的阻抗带宽为27.15GHz—28.41GHz，端口2的带宽为27.40GHz—28.86GHz。

图4 S参数

通过仿真，本设计实现了同一频率下的单极子辐射以及两个正交微带天线辐射，相当于一个竖直极化的电偶极子和两个水平极化的磁偶极子。具体来说，就是当端口1、2、3分别激励时，可以相应地获得Z极化、X极化和Y极化的电磁场，即利用多个模式完成极化分集的三极化MIMO天线设计。

4 结束语

本设计通过极化分集为毫米波MIMO天线提供了解决方案。理论上，3个正交的电偶极子和3个正交的磁偶极子一共能提供6个空间自由度，即六极化。在5G通信呼之欲出的今天，可以成倍提高信道容量的MIMO技术，在通信领域的优势会更加突出，势必引领一代研究热潮。