一种应用于5G物联网的八端口高隔离二元宽带MIMO天线

丁志清，王三山

（遵义职业技术学院，贵州 遵义 563006）

0 引 言

5G时代，物联网（IoT）在自动化、智能供应链和运输、远程监控和物流等领域迅速发展。物联网意味着传感器和网络设备连接到互联网后可进行数据交换。截至2021年，全世界已超过500亿台设备连接到互联网。

1 5G-IoT应用

以物联网（loT）为中心的概念，如虚拟现实、高分辨率视频流、自动驾驶汽车、智能环境、电子医疗等无处不在，这些应用需要高数据速率、大带宽、高容量、低延迟和高吞吐量支撑。

1.1 5G规划频段

2020年是5G网络商用元年，按照中信部文件，中国移动获得了2 515～2 675 MHz和4 800～4 900 MHz两个5G频段，频段号分别为n41和n79。中国电信获得了3 400～3 500Hz的频段，频段号为n78，中国联通获得了3 500～3 600 MHz的频段，频段号也是n78，而国外的5G标准也各有差异。

1.2 5G-IoT天线挑战

第五代（5G）蜂窝网络为loT技术的部署提供了关键的使能技术。其中，多输入多输出（Multiple Input Multiple Output, MIMO）天线作为收发的重要组成部分，可以在有限的功率水平内实现多路传输，从而提高效率。但多天线系统无法避免天线单元之间的相互耦合，耦合程度越高，MIMO天线整体效率越低，这也对天线的隔离度提出了新的挑战。

基于此，本文提出了一种应用于5G物联网的八端口高隔离二元宽带MIMO天线阵列。该天线阵列由4个空间正交的二元PIFA天线对组成，两两处于同一平面内。天线结构包括4个二元双馈的平面倒F天线（PIFA）对，其中，1个二元双馈PIFA对包括A型和B型2个天线单元。每个二元双馈PIFA都有2个馈电板，馈电板彼此以正确的角度放置，使其交叉极化，同一平面的空间分集将2个二元双馈PIFA对通过对角线定位在天线结构的相对两侧。为减少相互耦合，在每个单元顶板下的接地面每一侧刻蚀矩形槽，以阻止同一天线单元2个端口间的电流流动；处于不同平面的天线单元采用正交布局形式实现空间分集，增强MIMO天线系统隔离度。

2 MIMO天线设计

本文提出了一种应用于5G物联网的八端口高隔离二元宽带MIMO天线，采用MIMO天线可以在带宽不变的情况下极大地增加信道容量，采用极化分集和空间分集解耦方式降低天线耦合度，提高MIMO天线系统隔离度。

2.1 天线结构

如图1所示，4个二元双馈PIFA对放置在2块空间正交的介质基板上，每块介质基板的尺寸为150 mm×50 mm×1.5 mm，材料为FR4，其背面印有系统地板。两基板天线结构、布局基本相同，存在部分尺寸差异。

图1 天线整体结构

同一介质基板上布局2个二元双馈天线对，即4个天线单元。2个二元双馈天线对位于介质基板对角线的两端，形成空间分集。两块介质基板呈正交形态，以此达到正交极化，实现不同基板天线对之间的空间和极化分集，提高天线整列隔离度。

图2为天线详细结构，每个天线对都有2个矩形馈电板、1个矩形短路板和1块矩形辐射片。辐射板位于介质基板上方，2馈电板采用同轴馈电方式，短路板直接连接系统地板。

图2 天线详细结构

在每个天线对中，短路板位于辐射片对角处，用于短接辐射片与系统地板；两馈电板彼此分别在辐射片长边和短边下方馈电，在正确的角度放置，激励同一块辐射片，使其交叉极化，同时达到覆盖多频带的目的。在对辐射片短边处馈电所形成的天线为A型天线，在长边处馈电的为B型天线。

由于每个二元双馈天线对的同一辐射单元下的2个端口彼此放置得非常近，因此需要使用隔离技术来减少2个端口之间的相互耦合。为此，在每个PIFA对辐射片下方的接地上开槽。这些蚀刻槽减少了同一PIFA天线对2个馈源通过接地平面的电流，从而减少了它们之间的相互耦合，提高了天线隔离度。此外，每个二元双馈天线对的B型天线同轴馈电附近开有一个倒L型槽，以扩宽B型天线带宽，同时增强2天线对之间的隔离度。

本结构采用二元双馈方式和倒L型槽拓宽频带，MIMO天线工作在2 100～3 700 MHz和4 100～5 800 MHz频段，可以支持覆盖国内外大部分5G-IoT应用，通过极化和空间分集降低天线单元之间的耦合度，提高天线隔离度，使得天线阻抗达到良好效果。在工作频段内，所有天线回波损耗均小于-10 dB，同时隔离度优于-11.12 dB。

2.2 天线性能

本文采用CST三维电磁场仿真软件进行天线仿真，详细验证了各单元回波损耗、隔离度、总效率、辐射方向图和端口之间的包络相关系数（Envelope Correlation Coefficient,ECC）。

2.2.1 回波损耗

图3为各天线回波损耗仿真结果。其中，处于辐射片短边处馈电所形成的A型天线（端口1、端口3、端口5和端口7）回波损耗如图3（a）所示，B型天线回波损耗（端口2、端口4、端口6和端口8）如图3（b）所示。从结果可以看出，A型天线工作频段在3 000～3 700 MHz和4 100～5 800 MHz时阻抗匹配良好，回拨损耗均小于-10 dB；B型天线工作频段在2 100～3 400 MHz时同样具有极佳的阻抗匹配。因此，所设计的MIMO天线整体工作频段在2 100～3 700 MHz和4 100～5 800 MHz时，可支持国内外大部分5G-IoT应用。

图3 天线回波损耗

2.2.2 隔离度

为检验不同端口间的耦合度，图4给出了各天线的隔离度结果。从图中可以看出，（端口2与端口1之间的隔离度）和具有良好的隔离性能，这是由于在每个PIFA对的辐射片下方的接地上开了槽，蚀刻槽减少了同一PIFA天线对2个馈源通过接地平面的电流，从而减少了它们之间的耦合，提高了天线隔离度；另外，两介质基板的垂直分布，使得垂直面相邻天线对正交布局，具有极化分集优势，因此与在工作频段上同样能够获得良好的隔离性能，最小隔离度为11.12 dB。

图4 天线隔离度

2.2.3 天线辐射特性

为验证天线辐射特性，下文对辐射效率和辐射方向图进行了仿真评估。如图5（a）所示，A型天线工作频段内辐射总效率为65.3%～84.5%。其中，在低频段（3 000～3 700 MHz）的最低效率为65.3%，最高效率为82.1%，平均效率为71.7%；在高频段（4 100～5 800 MHz）的最低效率为70.6%，最高效率为84.5%，平均效率为80.1%。

图5 天线总效率

图5（b）给出了B型天线的辐射总效率。从图中可以看出，在对应工作频段内（2 100～3 400 MHz）辐射总效率为67.1%～82.2%，平均效率为75.7%。天线辐射总效率和图3的回波损耗仿真结果相互验证了该八端口高隔离二元MIMO天线良好的辐射特性。

图6为4个二元双馈天线对中A型天线1以及B型天线2的辐射方向图。从图中可以清楚地看出A/B型天线具有互补的辐射图，这种模式的多样性是由于天线单元布局和馈电设计不同，从而产生了不同的辐射模式，证明了分集的存在，可获得分集增益。

图6 天线辐射方向图

2.2.4 MIMO特性

由于所提出的八端口高隔离二元宽带天线工作于MIMO，因此需要计算相应ECC来评估其MIMO性能。图7给出了根据MIMO天线参数所计算出的ECC结果，用于描述MIMO系统中通信信道的相互隔离或相关程度。

图7 包络相关系数

结果表明，计算得出的ECC值均小于0.09，均优于“小于0.5”的可接受准则，因此所提出的天线具有较好的MIMO性能。

3 结 语

本文提出了一种应用于5G物联网的八端口高隔离二元宽带MIMO天线。8个端口利用极化和空间分集来获得分集增益。采用地板蚀刻槽解耦技术减小相邻天线端口之间的电流流动，提高隔离性能，采用二元双馈方式和倒L型槽拓宽频带。在工作频段内，所有天线回波损耗均小于-10 dB，同时隔离度优于-11.12 dB。天线效率为65.3%～84.5%，天线单元间的包络相关系数（ECC）低于0.09。以上结果验证了所提出的MIMO天线适用于国内外大部分5G-IoT应用。