一种改善超宽带MIMO天线隔离性能的方法

韩国瑞，方子皓，李 莉，田海琴，裴立力

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

0 引 言

随着宽带移动通信设备的大量使用，使得原本就十分有限的通信频带资源愈发紧张，因此研究如何提高移动通信频带的利用率，充分发挥现有频带资源的作用迫在眉睫[1].由于多径效应，多输入多输出(Multiple-Input Multiple-output，MIMO)技术能够有效地提高信道容量、极大地增强信息传输效率，现已成为通信领域的研究热点[2].同时，MIMO天线还可以有效地抑制信道衰减，降低信道的误码率.但是，在MIMO天线系统中，由于存在多个天线单元，并受天线系统尺寸的限制，相邻天线单元之间存在着很强的耦合，这种耦合会削弱天线的辐射效率，降低无线信道的传输效率，甚至使得通信系统无法正常工作.

近年来，国内外学者已经提出了很多方法来减少天线单元之间的耦合[3].然而，减少MIMO天线间相互耦合并改善MIMO天线的隔离度仍然是一项艰巨的工作.文献[4]设计了具有不同形状的3个阻抗谐振器以产生新的耦合电流，减少了MIMO天线单元之间的电流耦合.文献[5]通过改变微带馈线的拓扑结构，天线之间的电流分布发生了显著变化，从而提高了天线端口之间的隔离度.文献[6]设计了一种新颖的电磁带隙结构来减少MIMO天线介质板表面的表面波，由此改进了MIMO天线工作频带内的隔离度.文献[7，8]利用去耦网络减少了天线单元之间的电磁耦合，通过改变天线端口之间的电流路径改善了天线的隔离度.文献[9]设计了一种新型的具有高隔离度的双频带MIMO天线，通过在两个天线单元的辐射贴片上分别刻蚀U形缝隙，不仅实现了双频特性，而且由于两个天线分别工作在相互正交极化模式，相邻端口也获得了高的隔离.

本文设计了一种结构简单的二端口贴片超宽带MIMO天线，天线单元采用矩形贴片和部分地结构，并通过在天线接地板上设置带有音叉分支的缺陷地谐振器，达到改善天线隔离度的目的.仿真结果表明，增加缺陷地结构后，设计的MIMO天线的工作频带由3.3 GHz～9.1 GHz展宽到2.9 GHz～9.8 GHz，端口间的隔离度从13.5 dB 提高到19.3 dB.

1 超宽带MIMO天线

1.1 天线结构

本文设计的超宽带 MIMO天线的结构如图1 所示.该天线印刷在厚度为1 mm的TLX-6基板上，相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.002；天线的整体尺寸为40 mm×62 mm×1 mm.天线的辐射贴片和接地板分别位于电介质基板的两侧.天线的接地板采用部分地的形式，尺寸为L=24 mm，W=62 mm.超宽带MIMO天线由两个横向并列放置的超宽带单极子天线构成.两个超宽带单极子天线之间的距离W3=37.8 mm.每个单极子天线包括一个矩形贴片和一条微带馈线.矩形贴片的尺寸为L1=W1=13 mm，长度约为天线中心频率f0=7 GHz时的二分之一波长.微带馈线的宽度W2=2 mm，其特征阻抗为50 Ω，天线矩形贴片和接地板上边沿的间隙g=1 mm.

图1 超宽带MIMO天线结构Fig.1 Geometry of the UWB MIMO antenna

1.2 天线S参数仿真结果

超宽带 MIMO天线的仿真S参数如图2 所示.从图2 可以看出，本文设计的超宽带MIMO天线的反射系数S11在3.3 GHz～9.1 GHz的频带内小于-10 dB，在5 GHz频率时达到最小值-22.8 dB.由于两个MIMO天线的端口之间存在强电磁耦合，导致两个天线端口之间的隔离不好.由图2 可知，该超宽带MIMO天线两个端口之间的S21在工作频带中均在-20 dB以上，在4 GHz 时甚至达到-13 dB.

图2 MIMO天线S参数Fig.2 S parameters of MIMO antenna

2 改善隔离设计

2.1 音叉型谐振器设计

如图3 所示，为了改善MIMO天线的隔离度，在超宽带MIMO天线的接地板上蚀刻了一个宽槽，并在该槽中添加了一个音叉型枝节谐振器.槽的长度和宽度分别为L5=20 mm，W5=10 mm，音叉型枝节谐振器中间枝节长宽分别为L6=15.4 mm，W6=0.5 mm，边上两个枝节的长宽分别为L7=10 mm，W7= 1.2 mm.该谐振器结构的添加，改变了天线接地上的电流分布，并且减小了MIMO天线端口之间的耦合电流.

图3 缺陷地的MIMO天线结构Fig.3 Geometry of the MIMO antennna with DGS

图4 为4 GHz时，设置缺陷地和未设置缺陷地的MIMO天线接地板上的电流分布.

(a) 未设置缺陷地

由图4 可以看出，添加谐振器后MIMO天线端口之间的耦合电流明显降低了.这是由于谐振器上电流的相位与天线单元间原有的耦合电流的相位相反，天线端口之间的耦合电流被抵消了.因此，本文设计的超宽带 MIMO天线的阻抗匹配和隔离度被大大改善，特别是较低频率段改善效果尤其明显.

如图5 所示，采用缺陷地结构后，本文所设计的超宽带 MIMO天线10 dB的阻抗带宽从 3.3 GHz～9.1 GHz扩展到2.9 GHz～9.8 GHz；同时，S21的最大值从-13 dB减小到-19.3 dB.与没有添加谐振结构相比，天线端口之间的隔离度在整个工作频带内都有明显的改善.

图5 设置缺陷地前后的仿真结果Fig.5 Simulated results with and without DGS

2.2 天线辐射特性

天线E-面和H-面辐射方向图的仿真结果如图6 所示.图6 (a)为5 GHz时，天线E-面的辐射方向图，其主极化呈现八字形.由于两个天线之间的相互影响，E-面主极化最大辐射方向不再是0°和180°，而变为28°和152°.图6(b) 为 5 GHz 时，天线H-面的辐射方向图，其主极化呈现近似圆形.

(a) 5 GHz时，E-面

图6(c) 为8 GHz时，天线E-面的辐射方向图，其主极化也近似八字形，最大辐射方向为328°和212°.图6(d) 为8 GHz时，天线H-面的辐射方向图，与图6(b)相比，其主极化辐射图有稍许变形.从图6 可观察到，两个工作频率天线具有相同的极化方向，并均具有良好的全向辐射特性.

3 结 论

本文研究了一种平面超宽带 MIMO天线的阻抗特性和隔离特性.为了减少两个天线端口之间的耦合，在MIMO天线接地板上添加了一个宽槽和一个音叉型的谐振器.仿真结果表明，采用这种缺陷地结构，不仅拓宽了超宽带天线的阻抗带宽，而且大大改善了天线端口间的隔离度.天线的反射系数S11在2.9 GHz～9.8 GHz频带中均低于-10 dB，最小值为-26 dB；同时，天线端口的隔离度在工作频带内大于19.3 dB，在9.3 GHz时，隔离度超过 37 dB.