一种小型化三陷波超宽带MIMO天线的设计

邹艳葵 刘海波 王斌驰

（湖南工学院 湖南省衡阳市 421002）

1 引言

无线通信技术的飞速发展对数据传输速率、可靠性和系统的信道容量提出了更高要求。多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）技术能够有效缓解由无线信道的不稳定衰落造成的差错性能的下降，提高通信系统的可靠性[1]。在不增加天线发射功率和频谱资源的情况下，采用多根天线同时发送多个独立的数据流时，可以实现更高的数据传输速率和显著提高系统容量。

将MIMO技术应用于超宽带，可以显著提高超宽带通信系统性能[2]，引起了国内外专家学者的广泛关注。文献[3]将相同的阵子单元垂直摆放，达到分集目的。文献[4]设计了对称结构的角度分集超宽带MIMO天线。文献[5]将超宽带槽天线和Vivaldi天线进行集成，设计了一款基于角度分集的机载超宽带MIMO天线。由于超宽带频带范围内覆盖了其它的窄带通信系统频段，彼此会相互干扰[6]，因而具有带阻特性的UWB-MIMO天线的设计便显得尤为重要。为了提高MIMO天线的端口隔离度，诸多设计者提出了多种解耦合设计方案。文献[7]提出了一种具有多陷波特性的超宽带MIMO天线，文献[8]设计了一种兼具带阻特性和较高隔离度的心形超宽带MIMO天线，文献[9]提出了共辐射贴片具有两个和四个天线单元的超宽带MIMO天线，在辐射贴片中间蚀刻T形缝隙和在地板上增加金属条来提高隔离度。文献[10]采用CSRR结构和在馈线上开U形槽，实现了三陷波的功能，通过在天线单元之间引入了一种蝶形结构的超材料作为隔离枝节，增加了天线单元之间的隔离度。为了满足通信设备体积日益减小的要求，兼顾天线性能，本文提出了一种采用小型化技术和角度分集技术、具有较高隔离度和多带阻功能的性能良好的超宽带MIMO天线，具有较高的应用和推广价值。

2 天线设计

2.1 天线阵子单元

所设计的天线阵子单元（记为Ant_1）以平面单极子作为基本辐射单元，在接地板上开一个长、短轴分别为7.5mm和3mm的半椭圆形槽口以增加谐振深度和扩宽工作频带，通过在天线辐射贴片、馈线和接地板上加载缝隙来实现三陷波功能。天线制作在相对介电常数为εr=4.4，损耗正切δ=0.02，长度L=18mm，宽度W=12mm，厚度H=1.6mm的FR4介质基板上，天线阵子单元结构示意图如图1所示。

图1：天线阵子单元（Ant_1）结构示意图

经HFSS参数扫描分析和优化设计后，得到Ant_1各陷波结构的参数如表1所示。

表1：Ant_1优化参数（单位：mm）

2.2 超宽带MIMO天线

通过分析以上天线阵子单元的方向图可知，其在y轴附近存在辐射零陷区。将其沿z轴翻转90度即可以弥补y轴方向辐射性能的不足，但会在x轴附近存在辐射零陷区。采用将两个天线阵子单元垂直放置的形式，即可形成角度分集的互补作用，获得分集增益。所得小型化三陷波超宽带MIMO天线（记为Ant_2）结构示意图如图2所示。

图2：小型化三陷波超宽带MIMO天线（Ant_2）结构示意图

随着两天线阵子单元横向距离的增大，天线隔离度能得到有效提升，综合考虑天线性能和小型化的要求，得出Ant_2的结构参数如表2所示。

表2：超宽带MIMO天线优化参数（单位：mm）

Ant_2的S参数曲线如图3所示，陷波结构的引入使得天线在WiMAX、WLAN和X-band频段具有良好带阻特性，且在陷波频段附近天线单元之间的隔离度得到了较大提高。工作频段内，端口隔离度高于25dB，无需额外增加去耦合结构即获得了良好的隔离效果。

图3：Ant_2的仿真S参数曲线

图4所示为Ant_2的仿真增益曲线图，可以看出，Ant_2的增益在三个陷波波段均有明显下降。此外，从整体上来看，增益随着频率的升高而增加。可见对于相同原理的天线，天线增益随着天线相对电尺寸的增大而增高，对于小型天线尤其明显。

图4：Ant_2的仿真增益曲线

包络相关系数（Envelope Correlation Coefficient，ECC）用于表征天线单元之间在辐射模式和极化方面的独立性，对于由两个天线单元组成的分集天线系统，可以由公式（1）（式中ρe代表ECC，S*11、S*21分别表示复数S11、S21的共轭）估算出Ant_2的包络相关系数（如图5所示），在整个超宽带工作频带内，Ant_2的ECC小于0.004，满足分集系统中ECC小于0.5的要求，体现了良好的分集效果。

图5：Ant_2的包络相关系数曲线

3 实物测试结果

对天线各参数进行优化设计后，将天线制作在FR4基板上，馈电接口采用50Ω的SMA转接器，Ant_2的实物照片如图6所示。

图6：Ant_2的实物照片

利用Agilent N5247A矢量网络分析仪对天线实物进行测试，并同ANSYS HFSS仿真结果进行对比，VSWR曲线及端口隔离度的仿真与实测对比曲线分别见图7和图8。仿真与实测结构存在一定偏差，主要是因为样品加工精度不够、焊接不够精良导致。

图7：Ant_2的Port1(a)和Port2(b)的仿真和实测VSWR曲线对比

图8：Ant_2的仿真和实测S12(S21)曲线对比

4 结论

本设计提出并实现了一种基于角度分集的小型化三陷波超宽带MIMO天线，天线尺寸仅为36mm*18mm*1.6mm，具有良好的小型化特性。采用将两相同天线阵子单元垂直摆放的方式，在弥补单个平面单极子天线辐射缺陷的同时，无需增加额外的去耦合结构便可以获得较高的端口隔离度，工作频段内，天线端口隔离度均在25dB以上。仿真和实测结果表明，该天线可覆盖整个超宽带频率范围，且具有WiMAX、WLAN和X-band的陷波特性，能有效避免其与上述窄波波段的相互干扰。此外，峰值增益为6dBi，ECC＜0.004，具有较高的实用价值，对超宽带MIMO天线的设计具有一定的借鉴意义。