应用于物联网MIMO 天线的双频谐振解耦结构*

黄晓艳 ，文 方

(1.重庆科创职业学院人工智能学院，重庆 永川 402160；2.贵州理工学院人工智能与电气学院，贵州 贵阳 550001)

2005 年11 月17 日突尼斯举行的信息社会峰会上，物联网的概念在国际电信联盟(International Telecommunication Union，ITU)发布的《ITU 互联网报告2005:物联网》上被正式提出来[1]。2009 年8月，国务院温总理视察无锡中科院物联网产业研究所时，提出了“感知中国”的口号，物联网被正列为国家五大新兴战略性产业之一，写入政府工作报告中。随着物联网对高速率，高数据量传输的需求，单输入单输出(Single-Input Single-Output，SISO)通信系统信道容量已经不能满足实际需求，SISO 系统不能突破香农定理的上限。而MIMO 即多输入多输出技术，其系统通信在发射与接收端，利用多天线技术与空间维度资源，在相同的带宽、相同的发射功率的情况下提高信道容量及频谱利用率[2－4]。

用户对无线通信设备的尺寸要求越来越小，性能要求越来越高。这就要求天线具有多频带功能。同时，在MIMO 天线中，天线单元数量增加，单元之间距离变小，天线单元之间的互耦加强。MIMO 系统中，天线单元间的相互耦合严重影响天线的效率与系统的稳定性，因此，对MIMO 天线单元间解耦技术的研究有着非常重要的意义。现阶段MIMO 天线单元间的解耦技术主要概括为:采用地缝结构解耦[5]；采用地枝结构解耦[6]；采用中和线结构解耦[7－8]；采用谐振结构解耦[9－10]；采用解耦网络结构解耦[11]等。

2016 年，西安电子科技大学王彬彬等人[12]采用中和线去耦方式设计了应用于WLAN 的双频段MIMO 天线。中和线加载技术是指在天线单元间引入新的耦合，与原有的耦合进行电流中和或反相相消，进而达到去耦合的目的。但是这种方法利用中和线的长度实现反向相消，带宽较窄。2018 年，南京工业大学张梦怡[3]利用T 型地板枝节去耦方式提出双频带MIMO 天线。通过耦合作用，增加了电磁波的传输途径，实现反向相消，从而降低了两单元天线之间的耦合强度。

本文提出一种新颖的去耦结构。同时采用地板枝节与地板缝隙结构，利用谐振等效电路对该去耦结构进行分析，进一步对两种不同谐振形式的去耦结构进行单独仿真分析，证实了不同谐振器工作在不同频段，最终工作频带内端口隔离度优于25 dB，天线具有良好的阻抗带宽与辐射方向图。

1 双频谐振器解耦结构

解耦结构如图1 所示，为了加强天线单元间的隔离度，引入π 型微带谐振结构以及π 型缝隙谐振结构增加天线单元间的隔离度。为了验证解耦结构，一对双频单极子MIMO 天线被采用。单极子天线由两个水平放置的辐射条带构成，实现水平极化辐射。通过50 Ω 微带线进行馈电，介质板厚度为0.5 mm，相对介电常数εr＝2.2。据研究，发射端和接收端都采用水平极化天线的系统，比发射端和接收端都采用垂直极化天线的系统可以多获得平均10 dB 的功率[13－14]。因此，研究水平极化全向天线有着重要的现实意义。两个天线单元间距离为47 mm。由于两个天线单元间距较小，导致天线单元间出现严重的耦合，工作频带内天线单元间隔离度优于25 dB。表1 为优化后的尺寸参数。

图1 双频谐振解耦与天线整体结构图

表1 尺寸参数 单位:mm

2 原理与分析

2.1 设计原理

多频段天线不仅可以实现不同频段需求，减少天线数量，同时可以减小结构尺寸。单极子天线结构简单，易于集成，易于实现多频带功能。双频单极子天线由两个平行放置的不同长度的辐射条带构成，天线工作在1/4 波长附近，长条带工作在低频段，短条带工作在高频段。两个辐射条带在馈电点处并联组合起来。由于天线与地板平行放置，天线辐射水平极化波。

由于天线单元间距较小，天线间耦合加剧。如图2 所示，天线间耦合主要是通过路径1 金属地板耦合与路径2 空间中耦合。谐振器在天线工作频带内产生谐振，天线单元间耦合的能量能通过谐振消除，从而增加天线单元间隔离度。

图2 谐振器工作原理图

如图2 所示，π 型微带谐振器1 与金属地板相连也称为地枝耦合结构，π 型微带谐振器2 嵌入在谐振器1 中间，π 型缝隙谐振器是在金属地板上开的π 型缝隙。小于1/4 波长时，开路微带线等效为电容，短路等效为电感，微带线间缝隙等效为电容。地板上缝隙等效为电容。微带线等效的电感与电容的计算公式如下:

式中:l为微带线的长度，Z0为微带线的特征阻抗，L0与C0分别为等效电感、电容值，k为复传播常数，k＝，L，C分别为相应电感、电容值。

谐振器的谐振频率:

式中:L与C为串并联后的等效电感与电容。

π 型微带谐振器1 与2 等效电路如图3(a)所示，等效后的集总元件电容电感的串并联构成谐振电路，谐振频率在低频段2.5 GHz 附近。π 型缝隙谐振器等效电路如图3(b)所示，谐振频率在高频段5.5 GHz 附近。π 型谐振器的加入对天线端口阻抗影响较小。

图3 等效谐振电路图

表2 为等效电容与电感的估算值，π 型谐振器去耦结构具有轴对称特性，对称结构等效为相同电容电感值。

表2 电容电感等效值

2.2 仿真分析

使用商业Advanced Design System(ADS)软件对等效电路进行仿真，电路图如图4 所示，(a)为π型微带谐振器等效电路ADS 仿真电路图，(b)为π型缝隙谐振器等效电路ADS 仿真电路图。仿真的S参数结果如图5 所示，两个等效电路仿真S21分别在2.4 GHz 和5.8 GHz 产生高隔离谐振效果。因此对于提升MIMO 天线隔离度具有一定作用。

图4 ADS 仿真电路图

图5 S21仿真结果

使用商业电磁全波仿真软件HFSS13.0 对有π 型谐振器与无π 型谐振器的MIMO 天线进行仿真，仿真的S参数结果如图6 所示，由于两个天线单元具有对称性，这里只提供其中一个天线的反射系数S11与隔离度S21。其中反射系数S11在加载后谐振频率略偏低，主要是微带谐振器的引入影响天线的输入阻抗，加入谐振器后天线的阻抗带宽(S11＜－10 dB)，低频段为2.3 GHz～2.9 GHz，高频段为5.2 GHz～6.0 GHz。从图中可以看出，在工作频带内加入谐振器后隔离度S21提高了10 dB 以上，天线隔离度优于25 dB。

图6 有无谐振器的天线单元S 参数仿真结果

利用HFSS 仿真软件分别查看2.45 GHz 与5.5 GHz 天线，金属地板以及谐振器的表面电流分布如图7 所示，从电流分布图中可以看出来，低频时电流分布主要集中在长条带单极子上；高频时电流主要分布在短条带单极子上，长条带由于存在高次模导致存在微弱的电流。低频段时，π 型微带谐振器电流较强，故低频段去耦主要通过π 型微带谐振器实现。在高频段时，电流主要分布在π 型缝隙谐振器周围，π 型缝隙谐振器周围电流方向相反(箭头方向相反)，π 型微带谐振器上也有电流存在，但在高频段起主要作用的是π 型缝隙谐振器。

图7 金属表面电流仿真结果

为了验证不同谐振器工作在不同频段，分别对只带有π 型微带谐振器与π 型缝隙谐振器的MIMO 天线进行了仿真，仿真结果如图8 所示，无缝隙谐振器的隔离度只在高频段出现严重的恶化，部分频段小于15 dB(5 GHz～5.8 GHz)，但是低频段隔离度基本维持在20 dB 附近。同样在无微带谐振器的隔离度只在低频段出现了严重的恶化，整个低频带2 GHz～3 GHz内隔离度在15 dB 左右，相反高频带隔离度依然在20 dB 以上。同样验证了上面的分析，即低频段主要通过π 型微带谐振器实现高隔离度，高频段主要是通过π 型缝隙谐振器实现隔离度的(5 GHz～5.8 GHz)。

图8 加载不同谐振器的端口间隔离度

加载谐振器MIMO 天线的仿真方向图如图9 所示，(a)表示E 面辐射方向图，(b)表示H 面辐射方向图，双频单极子天线水平极化。辐射条带平行金属反射地板，短辐射条带距离金属反射板较近，因此导致高频段辐射方向图具有定向性，在低频段具有近似的全向辐射特性。低频段天线最高增益4.5 dBi，高频段天线最高增益近似6 dBi。

图9 仿真辐射方向图

3 结果与结论

对该天线进行加工与测试，如图10 所示为天线实际测试照片。

图10 天线测试照片

从图11 可知，测试结果与仿真结果的谐振点吻合较好，实际测试比仿真略向低频段偏移100 MHz，实际测试带宽较仿真略宽，实际测试带宽(S11＜－10 dB)2 GHz～2.8 GHz，5 GHz～6 GHz。天线间隔离度在低频段较仿真略高，高频段良好吻合，低频段隔离度高于25 dB，高频段隔离度高于30 dB。

图11 测试S 参数

从图12 可知，实际归一化辐射方向图，高频段较仿真略有差别，低频段吻合较好。主要是高频段辐射单元受到中间的隔离谐振器与下方的低频段辐射单元和金属地板等的影响，导致辐射方向图不规则。如图13 所示为顶点增益曲线，天线实测低频段增益最大增益点1.5 dBi，高频段最大增益点3 dBi，实测增益较仿真增益略低2.5 dB，主要原因是仿真采用的是罗杰斯5880 介质材料，加工采用相对介电常数εr＝2.2 的国内旺灵板材，材料损耗角与仿真差别以及接头与焊接带来的损耗。单极子天线的E面与H 面辐射方向图成“∞”字型。

图12 测试辐射方向图

图13 最大增益曲线

表3 为文献中工作指标与本文工作指标的对比，本文在前人的基础上提高一定的隔离度。

表3 文献性能指标

本文提出一种基于谐振器去耦的高隔离度双频MIMO 天线。通过单元间加载π 型微带谐振器与π型缝隙谐振器实现高隔离度。采用谐振器耦合电磁波形式进行分析，通过谐振器增加耦合路径进行相互抵消，从而提高隔离度。本文给出不同谐振器的等效电路图，并对加载不同谐振器的MIMO 天线进行仿真分析，实测结果与仿真吻合较好。实测低频段增益最大增益点1.5 dBi，高频段最大增益点3 dBi，单极子天线的E 面与H 面辐射方向图成“∞”字型，低频段隔离度高于25 dB，高频段隔离度高于30 dB。该天线易于加工，性能良好，可以广泛应用于物联网通信系统中。