一种小型化超宽带MIMO天线的设计

杨 阔，刘 川

(阿坝师范学院 应用物理研究所，四川 汶川 623002)

0 引言

早在19世纪末，学者们就对超宽带和多入多出技术分别展开了研究。将二者结合所具有的能够更大限度地提高信道容量和对抗多径衰落的巨大优势，使得UWB-MIMO技术成为了无线通信领域的大趋势[1]。但由于MIMO天线的高隔离度要求，天线单元需要分置距离大于中心频率对应的半波长度，这个条件无形中增加了天线的尺寸。如何满足UWB-MIMO天线的高隔离度要求，同时尽可能地减小天线尺寸，适应人们对通讯设备的小型化要求，成了许多国内外学者研究的重要方向。现阶段实现天线小型化的方法主要有：减小天线单元尺寸、减少天线数量和缩短天线单元间距、加入左手材料[2]等。其中，减小天线单元尺寸最为常见，主要有半切法[3-6]、运用互补结构[5-9]等方式。在MIMO天线提高隔离度的研究中，主要的方法是在地板上开槽[10-13]和增加各种隔离结构[14-16]，这2种方式都是通过改变电流路径来降低天线单元之间的耦合。

本文根据半切法和增加“T”形隔离结构的方法，设计了一种结构简单的小型化超宽带MIMO天线。这使该天线尺寸降低到22 mm×28 mm，通过三维电磁仿真软件HFSS设计优化，得出该天线的工作频带内隔离度达到15 dB以上，高频段甚至达到了25 dB，满足了小型化和高隔离度的要求。

1 天线结构设计

1.1 类圆形单极子天线

因为单极子天线具有尺寸小、频带宽和成本低等显著特点，很多学者研究了单极子UWB天线，并在单极子天线的基础上进行了多种改进。本文所采用的类圆形平面单极子天线如图1所示，并采用HFSS软件进行了仿真优化，得到整个天线的尺寸为22 mm×22 mm。

图1 类圆形平面单极子天线Fig.1 Quasi-circular planar monopole antenna

类圆形平面单极子天线S11曲线如图2所示。

图2 类圆形平面单极子天线的S11曲线Fig.2 S11 curve of quasi-circular planar monopole antenna

由图2中的S11参数结果可以看出，该单极子天线在频率为6.7～9.7 GHz范围内S11低于-10 dB，工作频段较宽。

1.2 基于类圆形单极子天线的MIMO天线设计

为将该单极子天线设计为MIMO天线时减小天线尺寸，使用半切法来实现MIMO天线的小型化，如图3所示。将类圆形单极子天线进行沿对称中线进行切割，在保持同样辐射频带的同时，辐射贴片面积减小了接近一半。但这种方法也有很大缺陷，就是不仅会导致天线的增益减小，还会使辐射方向变得不对称。但是，如果将这种半切的天线设计为MIMO天线后经过进一步优化，使得2个单极子天线的方向图的相对方向可以互补，则不仅可以弥补半切天线的缺陷，还能够降低耦合度，提升天线的增益。

图3 半切法小型化单极子天线Fig.3 Half cut miniaturized monopole antenna

本文将半切单极子天线设计为MIMO天线，天线结构如图4所示，该天线为二单元天线，共有2个端口，平面尺寸为22 mm×28 mm，2个辐射单元分别位于介质基板正面的两侧并相互对称。图5是该天线的模拟S参数图。

图4 半切MIMO天线Fig.4 Half cut MIMO antenna

半切MIMO天线的参数如图5所示。

图5 半切MIMO天线的S参数Fig.5 S parameters of the half cut MIMO antenna

由图6可以看出，S11低于-10 dB的频率范围有小幅度的增加(6.5～10 GHz)，但S21低于-10 dB 的频率范围较小，效果明显偏差。这说明，该MIMO天线的隔离度还有待提高。

1.3 MIMO天线隔离结构的设计

为了更大程度地降低天线二单元之间的耦合，优化天线低频段的辐射特性和匹配特性，在单元天线之间增加一个“T”形隔离带与地板相连，天线结构及参数如图6所示。

图6 UWB-MIMO天线结构及参数Fig.6 UWB-MIMO antenna structure and parameters

因为T形隔离带的对天线的S参数影响较大，以下主要对T形隔离带的W1和L2两个参数进行了优化分析。

图7和图8是分别对W1和L2参数扫描后的S参数曲线图。从图7可以看到W1的增大对天线的S11影响不大，但会使S21低频端的最小值向更低的频率偏移。从图8可以看出，L2的值变化会明显影响到天线的S参数。L2=12 mm时，天线在频率为3.7 GHz的阻抗匹配良好，且S11在整个频段可以达到最小值-39 dB。在L2逐渐增加到20 mm 的过程中，因为低频的工作频率偏移愈来愈大，导致匹配效果变差。同时S11最小值也有所增加，S21在整个频段都呈恶化趋势。说明T隔离枝节顶端的窄带枝节并非越长越好，枝节太长会影响到天线的辐射性能和匹配性能。最后，本文选取了W1=0.8 mm和L2=12 mm作为优化后的参数值。

图7 参数W1对天线S参数的影响Fig.7 Effect of parameter W1 on antenna S parameter

图8 参数L2对天线S参数的影响Fig.8 Effect of parameter L2 on antenna S parameter

2 MIMO天线的设计结果

2.1 MIMO天线结构

经过对T型隔离结构的参数分析，本文设计的小型化UWB-MIMO天线的具体参数值如表1所示。

表1 UWB-MIMO天线的优化后的天线结构参数值Tab.1 The optimized structural parameters of the UWB-MIMO antenna mm

该天线的介质板为Rogers 4350 B，相对介电常数为εγ=3.5，损耗正切为 0.004。天线尺寸为22 mm×28 mm×0.8 mm，结构简单，尺寸较小。

2.2 MIMO天线电流分布图

图9给出了天线在3.2 GHz加入隔离结构前后天线的电流分布对比图(端口1馈电)。图9(a)中没有引入隔离结构，端口2出现了明显的表面电流，这些电流均是从端口1耦合而来，说明天线单元之间的隔离度较差。图9(b)引入了T形隔离结构后，端口2没有出现明显的表面电流，而隔离带上出现了明显的耦合电流，说明端口1和端口2的耦合通过隔离带得到了有效抑制。

图9 增加隔离带前后MIMO天线的电流分布图Fig.9 The current distribution of the MIMO antenna before and after adding the isolation belt

2.3 MIMO天线的主要性能参数

图10给出了MIMO天线的S参数，可以看出，S21的低频段完全下降到-10 dB，高频段下降到-25 dB。S11在3.2～9.5 GHz范围内能低于-10 dB，相对带宽达到81.9%，达到UWB的标准。该天线最突出的优势在于当S11在最低值-38.9 dB时，同频率的S21能够达到-26 dB，取值接近。低频区域内的3.7 GHz频点处，S11和S21的值有着明显的同步下降，说明该天线增加的隔离带很好的调节了输入阻抗，使之能和天线达到匹配。图11给出了天线在3.2 GHz处的E面方向图，可以看出，由于引入了隔离带，天线方向图的对称性受到一些影响。

图10 MIMO天线的S参数Fig.10 S parameters of the MIMO antenna

图11 E面方向图(3.2 GHz)Fig.11 E plane pattern (3.2 GHz)

图12给出了天线在3.2 GHz处3D增益方向图，图13给出了3～10 GHz频段内的峰值增益曲线，可以看出增益在2.5～5.0 dB之间波动。

图13 频带内天线的峰值增益曲线Fig.13 The peak gain curve of the antenna within the frequency band

3 结束语

MIMO天线的小型化和隔离度是MIMO天线在设计研究和应用时所要考虑的重要方面，同时也是难点。本文采用半切法和增加隔离结构的方法设计研究了一种小型化超宽带MIMO天线，该天线具有较好的辐射性能和隔离度。结果表明，通过增加隔离结构，减小了天线的尺寸，同时改善了天线整体的性能，使得天线的隔离度大于15 dB，相对带宽达到81.9%，该天线在超宽带无线通信领域中有较好的应用价值。