一种小型化的高隔离度UWB-MIMO 天线

高明明 宋杨 南敬昌 李春晨

（1. 辽宁工程技术大学电子与信息工程学院, 葫芦岛 125105；2. 大连海事大学信息科学技术学院, 大连 116026）

引 言

多输入多输出(multiple-input multiple-output，MIMO)和超宽带(ultra-wideband, UWB)是这个时代引领无线通信系统快速发展的关键技术[1]. MIMO 天线通过在无线通信系统的输入和输出端部署多个天线，提高了通信系统的信噪比、容量和数据率；并有助于减少多径衰落，从而提高系统的性能[2]. 设计MIMO 天线系统时要考虑到有限空间的可用性，及各种天线单元之间的电磁隔离[3]. 高阻抗带宽、低耦合、高隔离、低包络相关系数(envelope correlation coefficient, ECC)和高分集增益(diversity gain, DG)是影响超宽带MIMO 天线高效设计的主要因素[4]. 紧密放置的天线单元间会产生耦合电流，这种耦合电流会影响到天线的性能，为了与现代便携式小型通信设备兼容，需要设计出结构紧凑的UWB-MIMO天线[5].

文献[6] 通过在接地板上采用Minkowski 分形的缺陷地结构(defected ground structure, DGS)进行天线的去耦，天线尺寸为27 mm×42 mm，天线的隔离度为19 dB. 文献[7] 在接地板上采用互补谐振环(complementary split ring resonator ,CSRR)结构进行去耦，天线尺寸为23 mm×29 mm，天线的隔离度为15 dB. 文献[8]在天线单元之间加载F 形枝节，天线的隔离度大于20 dB，尺寸为50 mm×30 mm. 文献[9]将两个天线单元对称放置在尺寸为19 mm×30 mm的FR4 介质基板上，并在天线单元上加载T 形接地结构，使得隔离度大于18 dB. 文献[10] 采用I 形接地结构使得隔离度为18 dB，尺寸为40 mm×29 mm.文献[11] 提出了一种四端口天线，尺寸为34 mm×34 mm，通过正交放置天线元件，并在天线单元之间放置矩形短截线，使得天线的隔离度达到了15 dB.文献[12] 采用平面悬浮线(planar suspended line,PSL)技术提高隔离度，使天线隔离度达到21 dB，尺寸为20 mm×36 mm. 文献[13]加载中和线技术在两个天线单元之间，降低了天线单元之间的电流耦合，隔离度大于22 dB，尺寸为21 mm×34 mm. 文献[14]通过加载电磁带隙(electromagnetic band gap, EBG)结构，使尺寸为31 mm×26 mm 的两端口UWB-MIMO天线的隔离度达到22 dB. 文献[15]提出了一种地面分离的二端口UWB-MIMO 天线，使天线的隔离度大于15 dB，天线尺寸为42 mm×24 mm. 文献[16]采用栅栏形结构的背板，使得天线的隔离度达到25 dB，尺寸为50 mm×35 mm. 文献[17]采用正交放置两个单元天线获得两正交分布的方向图，使端口间的隔离度高于15 dB，天线尺寸为46 mm×46 mm，实现了2.95～11.2 GHz 的工作带宽.

本文研究并设计了一种可以提高UWB-MIMO天线单元隔离的技术. 天线正面使用扳手形微带馈线实现超宽带的阻抗带宽，背板采用类F 形接地板提高天线的隔离度. 设计的天线在3～13.5 GHz 工作频带内的隔离度高于22 dB，在提高带宽和隔离度的同时实现了天线的小型化 (30 mm×18 mm)，非常适合集成到便携式通信设备中.

1 天线设计

1.1 天线模型

该天线正面由两个相同的扳手形微带馈电的圆形辐射贴片组成，背板在类F 形接地结构的基础上进行开槽处理. 结构如图1 所示，两个辐射元件和馈线设计在基板的顶部，地平面设计在基板的底部. 顶部贴片采用圆形贴片并排放置，采用扳手形馈线实现良好的阻抗匹配.

图1 天线结构图Fig. 1 The antenna structure

通过电磁仿真软件HFSS 对天线参数进行优化，最终设计得天线尺寸为30 mm×18 mm×1.6 mm. 表1给出了UWB-MIMO 天线结构的最终优化尺寸.

表1 UWB-MIMO 天线尺寸Tab. 1 Demension of the UWB-MIMO antenna mm

1.2 天线结构设计分析

1.2.1 天线结构设计

图2 为所提出天线的设计过程. 首先设计了一个简单的圆形辐射器以获得所需要的天线1；然后通过在地平面上加载I 形短截线改善隔离度，同时将矩形微带馈线优化为阶梯型微带馈线，获得了4～7.5 GHz 和8.3～10.5 GHz 频段内的阻抗带宽，得到天线2；改善天线2 的矩形微带馈线为扳手形微带馈线以扩宽天线的带宽为3.2～12.9 GHz，同时优化I形短截线为双I 形短截线，得到天线3，在4.1～12 GHz的频段内隔离度已达到20 dB，但在3.1～4.1 GHz 频段的隔离度仍不理想；为了达到更好的隔离效果，优化双I 形短截线为类F 形短截线并进行开槽处理以获得更好的隔离度，得到天线4，最终天线的阻抗带宽为3～13.5 GHz，隔离度为22 dB.

图2 天线结构的设计演变过程Fig. 2 The design evolution of the antenna structure

图3 为4 种天线结构的S 参数仿真. 类F 形短截线的总长度为λ0/4 (λ0为5 GHz 处对应的波长)，对天线的隔离性能有很大的影响，具体有两个作用：1)充当反射器，分离单元天线之间的辐射，从而减小单元天线之间的耦合. 从图3(b) 可以看出，在整个UWB 带宽中，类F 形短截线将隔离度提高到22 dB 以上，有助于提高同一频率范围内的隔离度.2)充当辐射器，并引入5 GHz 和6.8 GHz 两个共振，如图3(a)所示. 引入类F 形短截线有助于改善天线在整个超宽带范围内匹配较差的问题. 此外，在5 GHz 的低共振也将天线的低截止频率移至3 GHz. 通过改变类F 形短截线的内部切槽形状可以获得更多的共振，以此提高单元天线之间的隔离度.

图3 4 种天线结构的S 参数仿真Fig. 3 Simulation of S parameters of 4 antenna structures

1.2.2 天线表面电流分析

图4 所示为3 GHz 处改进MIMO 天线的表面电流分布图，并对地面的改变对天线隔离的影响作了进一步分析. 可以看出：图4(a)中，随着端口1 的激励，大量的电流耦合到了端口2；图4(b)中，引入I 形接地板降低了这种耦合效应；图4(c)中，在双I 形的接地板上，在第二天线的表面上只观察到少许的电流；图4(d)中，在第二天线的表面只观察到细微的电流. 因此，通过接地面的改变实现了MIMO 天线的高隔离.

图4 4 种天线步骤的表面电流分布Fig. 4 Surface current distributions of 4 antenna design steps

取不同频点的天线4 呈现的电流分布来观察天线的隔离程度，图5 所示为当左侧辐射元件被激励时在2 GHz，6 GHz，8 GHz 和10 GHz 时的电流分布.通过激励端口1，可以清楚地观察到类F 形接地板对端口之间耦合电流的吸收，有效地提高了两个单极子天线之间的端口隔离度.

图5 不同频点处天线4 表面电流分布Fig. 5 The surface current distribution of antenna 4 at different frequencies

2 实验仿真与测量

2.1 S 参数

为进一步验证本文设计的UWB-MIMO 天线性能，制作实物天线并进行测量，图6 所示为UWBMIMO 天线的实物图片.

图6 UWB-MIMO 天线实物图Fig. 6 Prototype of the UWB-MIMO antenna

该天线采用介电常数为4.4、损耗角正切为0.002、厚度为1.6 mm 的FR4 介质基板，天线的馈线末端连接SMA-K 型接头. 通过矢量网络分析仪测量天线的S 参数. 图7 所示为UWB-MIMO 天线S 参数的实测和仿真结果，可以看出，天线具有3～13.5 GHz的阻抗带宽，在阻抗带宽内隔离度高于22 dB. 实测和仿真的S11和S21参数均基本一致.

图7 UWB-MIMO 天线S 参数的仿真和实测值Fig. 7 S parameters of UWB-MIMO antenna: simulation and measurement

2.2 辐射特性

图8 是UWB-MIMO 天 线 在4 GHz，7 GHz 和11 GHz 频率下E 面和H 面上测得的端口1 或端口2 二维辐射方向图. 可以看出：在低频中频时的方向图是全方位的、稳定的，该天线在H 面表现出全方位的辐射特性，E 面的方向图呈现“8”字状；在较高频率时由于高级模导致了辐射波瓣的分裂，高频方向图发生了畸变. 该UWB-MIMO 天线有利于接收和发送各个方向的信号，从而实现MIMO 的功能.

图9 是天线的峰值增益和辐射效率随频率变化的结果，在工作频带内，天线的峰值增益大致为1.5～4.5 dBi. 另外，从图9 还可以看到该天线在超宽带频段内具有较高的辐射效率，均大于70%.

图9 UWB-MIMO 天线的峰值增益与辐射效率Fig. 9 The peak gain and radiation efficiency of the UWBMIMO antenna

2.3 分集增益(DG)

ECC 是一个重要的MIMO 性能参数，决定了天线元件之间的分集程度. 在理想环境下，ECC 值为零；但在实际设计加工时，达不到理想值. MIMO 天线元件必须满足ECC＜0.5 的标准[18]，才能在MIMO天线元件之间实现更高的分集. 对于两端口MIMO天线，使用式(1)来计算ECC，式(2)计算DG：

2.4 总有效反射系数(TARC)

对于多端口天线系统，相邻的天线单元相互影响，同时影响工作时整体的工作带宽和效率，仅依靠S 参数不足以预测实际的系统行为，因此引入新的度量方法，即总有效反射系数(total active reflection coefficient, TARC). 双端口MIMO 系统的TARC 可以用式(3)来计算：

图10 UWB-MIMO 天线的ECC 和DGFig. 10 Envelope correlation coefficient and diversity gain of the UWB-MIMO antenna

对于MIMO 系统来说，TARC＜0 dB 较为合理[19].

图11 为UWB-MIMO 天线的TARC. 可以看出，在超宽带范围内TARC＜-10 dB，说明MIMO 耦合效应很低，较低的TARC 能确保MIMO 系统发送端和接收端的多个信道独立，能够有效地利用多径的影响来提高系统容量.

图11 UWB-MIMO 天线的TARCFig. 11 The TARC of the UWB-MIMO antenna

表2 为本文所提天线和参考文献[6-16]中天线性能对比. 可以看出：本文天线的尺寸均小于文献[6-16]，且比文献[6-7，9，12-15]具有更宽的带宽、更高的增益；本文天线的隔离度均高于文献[6-13，15]，略低于文献[14，16]，但比文献[14，16]具有更小的尺寸、更宽的带宽. 指标天线的带宽尺寸比(bandwidth dimension ratio, BDR)可以明确地表明天线的紧凑性和宽频带特性[20]，本文的BDR 均高于文献[6-16]. 总而言之，在天线性能相当的情况下，本文的尺寸在同类型中具有更紧凑的尺寸；在尺寸相当时，本文天线具有更高的性能.

表2 本文设计天线与以前文献中天线对比Tab. 2 Comparison of antennas in references and this paper

3 结 论

本文提出了一种可以提高紧凑型超宽带MIMO天线隔离性能的技术，通过改进F 形接地板来实现高隔离度，通过优化以确保其可能实现的最好性能.设计的天线可以实现3～13.5 GHz 频带内的阻抗带宽，隔离度高于22 dB，ECC 非常低，同时具有良好的辐射特性、稳定的增益，说明该天线结构紧凑，具有良好的MIMO 性能，适用于现代通信系统.