一种双频MIMO天线的T型枝节解耦设计

张 娟，张心怡，吴晓丽，裴立力，李 莉，韩国瑞

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

0 引 言

从2G到5G，移动基站天线由简单线天线发展为各种类型的天线，比如全向天线、 定向单极化天线、 定向双极化天线、 电调单极化天线、 电调双极化天线、 多频双极化天线等. 传统无线通信系统中，单天线的信道容量有限，最大传输速率较小. 随着对通信速率要求的不断提高，需要突破传统无线通信系统的容量界限. 虽然增加信道的功率和拓宽信道的带宽可以提高信道容量，但会受系统功率和频谱资源的限制，因此，最好的方法是提高频谱使用效率，增加信噪比来提高信道容量. 多输入多输出(multiple input multiple output，MIMO)天线技术可以充分利用空间资源[1]，在不增加频谱资源和发射天线功率的情况下，成倍提高系统信道容量，改善通信质量. MIMO 技术在基站中工作时，天线之间有足够大的空间，可以减小各天线间的相互干扰； 但是如果在尺寸小的移动设备中工作时，会使天线单元间发生相互作用，这种相互作用会使天线达不到预期的辐射效率，同时也会使无线通信系统达不到预期的工作效果. 因此，研究小型化天线单元之间的解耦技术是非常必要的.

MIMO的概念最早是由马可尼提出来的，其主要用于抗信道的衰落[2]； 文献[3]设计了一款高端口隔离度的小型化超宽带MIMO天线. 通过在天线辐射贴片和地板进行开槽处理，利用曲流技术实现了天线的小型化； 辐射贴片单元为椭圆盘单极子天线，椭圆盘渐变的结构可以使天线单元在宽频带内得到良好的匹配，天线的工作带宽为3.1 GHz～10.6 GHz； 地板缝隙和地枝节可以滤除地板上的耦合电流，两天线单元间端口的隔离度得到了有效地改善，在整个超宽带频段范围内两端口间的隔离度大于15 dB； 文献[4]设计了一种新颖的由两个辐射单元组成的双频带4端口MIMO天线，天线低频工作频段为803 MHz～823 MHz，高频频段为2 440 MHz～2 900 MHz，在两个天线单元间增加缺陷地结构之后，两个天线之间的隔离度大于17 dB； 文献[5]设计了一种倒F型双频MIMO天线，覆盖2.4 GHz～5 GHz无线局域网(WLAN)频段，通过设置弯曲的谐振支路和在天线接地板上蚀刻倒T形槽，在2.4 GHz和5 GHz 两个频段获得15 dB的隔离； 文献[6]提出了一种紧凑的MIMO天线，由具有UWB性能的两个偏置微带馈电天线单元组成，通过在辐射元件之间增加T型微带线来抑制相互耦合，实现高隔离度； 文献[7]在每个辐射贴片的边缘连接两条中和线，来减少双频微带天线阵列的相互耦合，每条中和线的长度对应微带天线的谐振频率的1/2波长，分别在两个频率获得 25 dB和 35 dB 的隔离度； 文献[8]中提出了具有中和线的MIMO天线阵列，由单极子和环形结构组成的4个天线单元分别位于PCB板的边角上，安装在边框外部的中和线仅占用很小的电路板空间，使天线4个端口之间获得了高度隔离； 文献[9]提出了一种在移动终端中实现4*4 MIMO天线阵列的方法. 通过在辐射贴片上选择馈电位置和短路过孔的位置，以达到天线端口去耦的目的； 文献[10]中辐射单元之间的低相互耦合是通过在有缺陷的接地板上增加一个耦合缝隙来实现的，在整个天线带宽上提供优于-13 dB的互耦. 本文提出了一种T型枝节解耦的双频带MIMO天线. 天线单元采用印刷单极的形式，工作频段覆盖WLAN(2.4 GHz～2.48 GHz，5.15 GHz～5.35 GHz，5.725 GHz～5.825 GHz)频带. 天线低频谐振单元为倒F天线，通过在低频枝节上增加短截线，用以产生高频谐振，实现天线的双频工作. 通过将天线单元沿水平方向对称放置组成二单元MIMO阵列. 分别对二单元天线进行阻抗匹配和解耦分析，用T型枝节来对天线进行解耦，降低两个天线之间的相互影响，提高天线端口隔离度.

1 天线的设计

本文设计的二单元双频MIMO天线的结构如图1 所示. 天线单元印制在FR4介质板上，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，长度L=50 mm，宽度W=26 mm，介质板厚度为h=0.8 mm. 介质基板底层金属是天线的接地板，长度与介质板的长度相同，宽度为w0=12 mm. 天线辐射单元部分是由单极子天线弯折连接而成的平面倒F天线，并且通过在低频谐振枝节电流分布最小的地方增加一个短的谐振枝节，从而改变了电流的路径，产生一个新的谐振，实现双频工作. 顶层金属为倒L型微带线，通过耦合馈电的方式为辐射单元馈电. 为了实现多输入多输出MIMO通信，两个天线单元沿水平方向对称分布，形成双天线布局，两个单元天线端口之间的距离为22.5 mm.

MIMO天线的解耦结构是在对称轴位置的接地板上延伸一个T型枝节，其竖直微带线长度为w11，宽度为1 mm，并在天线接地板的中间部分蚀刻两个矩形缝隙，长度为l10，宽度为w10，以天线中心为轴对称放置； 在天线的接地板的左右两侧也开两个对称的小缝隙，长度为l9，宽度为w9，因为可以减少电流在接地板上的分布，所以对阻抗匹配和天线单元之间的解耦也有影响，竖直长度略高于天线为15 mm，宽度为1 mm，此时只能改善高频段的隔离. 为了进一步改善低频段的隔离，在T型枝节上面又增加了一个水平枝节，将枝节的两侧均进行了弯折处理，水平方向的较长枝节为19 mm，两边均略微向下弯折1 mm，较短的枝节为14 mm，两边也略微向下弯折1 mm，增加的弯折部分可以增加天线高频的带宽以及改善隔离度，添加T型解耦单元的具体尺寸如表1 所示.

图1 加载T型枝节的MIMO天线结构

表1 天线各部分的尺寸

2 天线的解耦以及仿真分析

图2 给出了有T型枝节和没有T型枝节时天线仿真的S参数.

图2 有无T型枝节时天线的S参数Fig.2 S-parameters with or without T-shaped branches

这两种情况下天线的S11没有变化，而引入T型枝节后2.45 GHz时的隔离可达30.1 dB，较没有T型枝节时的隔离增加了12.1 dB； 5.2 GHz时隔离可达29.9 dB，比没有T型枝节时的隔离增加了10.9 dB. 为了更好地说明T型枝节工作的原理，给出了天线分别工作在2.45 GHz和5.2 GHz时，添加T型枝节和没有T型枝节的电流表面分布图，如图3 所示.

(a) 2.45 GHz，有T型枝节的电流图

(b) 2.45 GHz，无T型枝节的电流图

(c) 5.2 GHz，有T型枝节的电流图

(d) 5.2 GHz，无T型枝节的电流图图3 MIMO天线的表面电流分布Fig.3 Surface current distribution of MIMO antenna

此时，线的左端口设置成激励的端口，右端口为匹配端口. 由于天线具有对称性，右端口设置成激励的端口，左端口为匹配端口时的电流分布与图3相似. 由图3可知，当引入T型枝节和天线接地板缝隙的去耦结构后，在左端天线被激励时，右端未被激励的天线单元不受左端天线单元的影响，几乎没有电流分布，原本流向右端天线单元的电流此时都集中在了新增加的T型枝节上，而右边端口上几乎没有电流分布，所以降低了天线单元之间的相互干扰，改善了天线端口间的隔离.

研究T型枝节的参数对天线耦合的影响情况，如图4 所示.

图4 增加枝节的个数对S21的影响Fig.4 The effect of increasing the number of branches on S21

分别研究了一个T型枝节的天线1，其上再增加一个枝节的天线2，以及将枝节两侧都弯折1 mm 的天线3的S21参数. 从图4 可以看出，天线1的高频段隔离得到明显提高，在5.2 GHz时，可以达到30 dB，但是低频段的隔离恶化到了12 dB； 天线2的高频段隔离可以降到38 dB，低频段的隔离也有所下降，但是所需带宽范围内的隔离仍需提高； 天线3的隔离在4.9 GHz时可以达到58 dB，同时低频段的隔离也可以在带宽范围内达到25 dB，综上所述，添加T型枝节实现了两个天线单元之间的解耦.

3 天线测量结果

天线结构的加工实物如图5 所示，天线的S参数通过 Agilent N5235A 矢量网络分析仪测量得出. 从图6 中仿真的S参数曲线可以看到，所设计天线的工作频率在2.45 GHz和5.2 GHz，当天线的反射系数S11=-10 dB时，低频段的仿真频率范围为 2.27 GHz～2.49 GHz，带宽为220 MHz，当工作在2.45 GHz时，S21可以达到-33.5 dB，在整个频段范围内S21低于-25 dB，实现了两端口之间较高的隔离. 高频段的仿真小于-10 dB的频率范围为4.49 GHz～6 GHz，带宽为1.51 GHz，S21最低为-39.2 dB，在整个频段范围内S21低于-23.1 dB. 高频段也实现了较高的隔离. 从图6 中的实测曲线可以看出它的谐振频率为2.3 GHz和5.2 GHz，测试带宽为 2.27 GHz～2.47 GHz和4.86 GHz ～6.81 GHz. 比起仿真的谐振频率有点向左偏移，低频的带宽变窄，高频的带宽变宽，依然包含了所需要的带宽，带宽范围吻合良好. 但是从参数曲线可以看到，所设计天线的两端口之间的隔离度的实际测量结果同仿真结果大致吻合，误差不大，在整个低频段隔离度高达27.5 dB，高频段范围内达到40 dB，这个误差在可接受范围内，可能是SMA接头和传输线的损耗或者测试环境引起的.

(a) 天线正面图(b) 天线背面图图5 MIMO天线的加工实物图Fig.5 The physical picture of MIMO antenna processing

图6 添加T型枝节的的仿真和测量S参数Fig.6 Simulation and measurement of S-parameters withT-shaped branches added

图7 是T型枝节解耦的MIMO天线分别在2.45 GHz和5.2 GHz时的辐射方向图，符合单极子天线的辐射性能，天线在E面方向图近似为“8”字形，H面的主极化基本为圆形，呈现全向辐射特性，所设计的天线具有良好的稳定性. ECC是衡量MIMO天线分集性能的关键参数，MIMO天线的ECC可以由如下公式计算

ρe=

图8 给出了天线的ECC，在2.45 GHz时，ECC为0.15； 在5.2 GHz时，ECC为0.12，整个频段范围内远小于MIMO系统所要求的0.2，说明两个天线的互相关性较低，满足天线系统的良好性能.

(a) 2.45 GHz H-plane(b) 2.45 GHz E-plane

(c) 5.2 GHz H-plane(d) 5.2 GHz E-plane图7 T型枝节解耦的MIMO天线辐射方向图Fig.7 Radiation pattern of MIMO antenna with T-shaped branch decoupling

图8 包络相关系数Fig.8 Envelope correlation coefficient

表2 给出了本文所提出的天线结构与其他天线性能的比较，可以看出本文所设计的天线具有较高的隔离度，较小的尺寸.

表2 天线性能的比较

4 结 论

本文设计了双频带MIMO天线. 天线单元采用印刷单极天线的形式，两个工作频段分别覆盖WLAN频率2.45 GHz/5.2 GHz/5.8 GHz. 低频谐振单元为倒F天线，通过增加短截线，用以产生高频谐振，实现双频工作. 通过将天线对称放置形成二单元MIMO天线，采用在两个天线单元之间添加T型枝节的方法进行解耦，所设计的天线隔离度均高于25 dB，可实现稳定的全向辐射性能. 且天线的测试结果与仿真结果吻合良好.