具有双陷波特性的小型化超宽带MIMO天线设计

景梦娇，吴 涛，蔡 洋，曹玉凡，李 森

（航天工程大学，北京 101400）

0 引 言

在当今的无线通信中，超宽带（Ultra-wide Band，UWB）技术具备低功耗、高数据速率等诸多优点，使得该技术在无线通信领域受到众多的青睐。UWB技术应用广泛，例如，雷达的无线跟踪及识别、医疗设备等。但是研究发现，信号在多径环境传输时会产生衰落，降低UWB系统的信号传输效率和传输质量。而多收多发（Multiple-input Multiple-output，MIMO）技术通过在发射端和接收端放置多个天线单元，增加信道容量，提升信道的传输质量。因此，将UWB技术和MIMO技术结合形成的UWB-MIMO技术，具有较高的信道容量和信道传输质量，在无线通信系统中占有重要地位。

但是在很多实际场景中，对UWB-MIMO技术的要求较高，需要天线达到尽可能小型化以便更好地集成到实际系统中。小型化设计方法不断被提出，例如分形技术、对称半切技术、在天线接地板上设计不同形状的槽缝等，但过小的天线体积在实现高隔离和陷波特性时有较高的难度，目前的高隔离研究设计中，主要利用在天线单元之间加载中和线、缝隙天线或寄生结构，也可将天线单元正交放置，改善天线的隔离性能等，但是这会无意间加大天线系统的体积。同时，在复杂的通信环境中，除了UWB通信系统的存在，也有一些其他频段，如WIMAX/C频段、WLAN频段和X频段在UWB工作频段内，窄带会对UWB辐射产生干扰。为避免这种干扰，可以通过蚀刻不同形状的槽缝，或在天线附近加载寄生枝节实现陷波特性，阻止窄带波段对UWB辐射产生的干扰。MIMO天线在实现陷波功能时，会受到单元体积和空间体积的影响，开缝隙和加载寄生耦合枝节很难产生双陷波特性，故在小型化的MIMO天线系统中，实现高隔离的同时，实现双陷波特性就显得尤为艰难。

针对上述问题，本文设计了具有双陷波特性的小型化超宽带MIMO天线，天线尺寸较小，仅为32 mm×24 mm×0.8 mm，可以更好地集成到各种无线通信设备，并且具备WLAN和X波段的双陷波特性，有效防止了窄带对超宽带传输造成的干扰，除此之外，天线隔离度可以达到20 dB，满足MIMO天线在实际工程中对于隔离度高于15 dB的需求。经仿真和实测结果表明，天线性能良好，可以广泛应用于各种无线通信设备。

1 MIMO天线结构及设计分析

1.1 天线结构

本文所设计的MIMO天线和单元结构如图1所示，天线位于介电常数为4.4的FR-4基板上，整体尺寸为32 mm×24 mm×0.8 mm。两个天线单元对称放置，天线单元间有T型枝节，两馈线附近有倒U型寄生枝节，通过HFSS仿真优化，得到系统尺寸参数如表1所示。

图1 MIMO天线系统及天线单元

表1 MIMO天线尺寸表 mm

1.2 天线设计分析

本文所设计的MIMO天线单元为裁剪的分形单极子天线。首先利用迭代函数系统（IFS）生成分形几何结构，对单极子天线做分形处理。以分形结构为基础，在天线四周裁剪1 4半圆，得到最终的结构单元。如图2所示，矩形单极子天线a）作为基础单元，分形后得到结构单元b），进一步裁剪得到最终的天线单元c）。分形和裁剪均可降低天线最低谐振频率，使天线单元覆盖4～13 GHz频段，天线单元尺寸缩减45%，同时实现小型化和宽带宽的设计目标。

图2 天线单元及反射系数进化图

分形几何结构的原理如图3所示，用相同的比例因子对水平和垂直两个方向的图像进行4倍收缩，创建16个小矩形，将中间部分的4个矩形去除。这种技术得到的分形天线在保证宽带特性的同时，可将单元体积缩减25%。

图3 迭代函数系统方法

要保证天线系统的超宽带和陷波性能，需对MIMO天线进一步设计，如图4所示。

图4 MIMO天线系统及反射系数进化图

由图4可知，将2个天线单元对称放置在FR-4介质基板上，如图4a）所示。为了降低天线最低谐振频率，在天线单元之间加载T型接地枝节，如图4b）所示，此时天线工作频段为3～12 GHz，达到设计预期的UWB频段范围。为了防止一些窄带对天线辐射产生干扰，在馈线附近加载两个寄生枝节1和2，如图4c）所示，可分别实现7.2～8.6 GHz和5～6 GHz波段的双陷波特性。

图5为有无T型枝节隔离度仿真对比图。由图5可知，加载T型枝节天线隔离度大大提高，并满足MIMO天线对于隔离度的最低要求-15 dB。由此，在天线单元之间加载T型接地枝节，不仅可以降低天线最低谐振频率，还可降低天线之间的耦合。

图5 有无T型结构隔离度对比

综上，本文所提出的MIMO天线可以覆盖UWB的工作频段，具备WLAN和X波段的陷波特性，且天线体积较小，达到了设计的预期效果。

在对陷波特性进行设计时，抑制的频段范围可分别通过和进行调控，如图6所示。

图6 加载不同长度枝节时天线反射系数对比图

2 MIMO天线设计与制造

基于表1的数据对天线进行加工和测试，得到天线系统的实物和测试图分别如图7a）和图7b）所示。

图7 天线系统示意图

分别对两个端口的参数进行实测，得到MIMO天线参数仿真和实测对比图，反射系数如图8a）所示，传输系数如图8b）所示。由图8可知，天线在实测和仿真中均可覆盖3～11.5 GHz的超宽带频段，在WLAN和X波段具有双陷波特性。在工作频段内隔离度大于20 dB，具有良好的隔离效果。综合上述指标，MIMO天线仿真和测试数据基本一致，具有良好的性能，满足实际工程需要。

图8 MIMO天线参数

由图8可知，天线在3.5 GHz，6 GHz，9 GHz产生谐振。对MIMO天线在三个谐振频率的方向图进行分析。图9为天线在三个谐振点的面、面归一化方向图。由图9可知，天线在仿真和测试中方向图良好，具有全向辐射的特性，利于MIMO天线在各个方向上发射和接收信号。

图9 不同频率下天线xOz、yOz平面方向图

3 MIMO性能分析

为了验证MIMO天线的性能，还需要考虑分集增益（DG）、包络相关系数（ECC）、平均有效增益（MEG）和信道容量损耗（CCL）等重要的性能参数。参数ECC表明一个天线辐射模式与其他天线辐射模式的相关性，较低的ECC代表了较高的DG，如果ECC值过高，会降低天线的性能。ECC越低，DG越高，则MIMO天线在信道中的传输质量就越高，ECC和DG的表达式如下。

通过参数得到仿真和实测的ECC和DG分别如图10a）和图10b）所示。由图10可知，天线ECC在仿真和实测中，均低于0.05，远小于MIMO系统对ECC的要求值，天线的DG始终大于9.75 dB，天线系统表现出较低的ECC和较高的DG，天线在信道中传输质量较高，表现出良好的MIMO性能。

图10 MIMO天线包络相关系数和分集增益

此外，考虑到环境对信号传输的影响，需要通过MEG参数度量天线的增益性能。两个端口的MEG可由参数得到。

MEG和MEG分别为第一端口和第二端口的平均有效增益，对于MIMO天线系统，两个端口的MEG差值应小于3 dB。图11a）显示了MIMO天线在仿真和实测中的MEG。由图11a）可知，天线系统两个端口的MEG差值均小于3 dB，满足设计要求。

CCL是描述MIMO天线系统数据传输速率可达到的最大上限，在此上限下，数据可以在通道上不断传输。CCL的值用下式来计算：

通过参数得到仿真和模拟的CCL如图11b）所示。由图11b）可知工作频带内CCL的值低于0.15 b·s·Hz，小于CCL的最小限值0.4 b·s·Hz。

图11 MIMO天线的平均有效增益和天线信道容量损耗

将本文所设计的超宽带MIMO天线与近五年类似文献对比，得到天线对比数据如表2所示。由表2可知，与其他文献相比，本文所设计的MIMO天线在超宽带工作频段内，实现设计的小型化、双陷波特性，具备良好的工作效能。

表2 天线系统参数对比

4 结 论

本文设计了一种具有双陷波特性的小型化超宽带MIMO天线。融合分形技术和裁剪技术，对矩形单极子天线单元进行处理，实现超宽带天线的小型化设计，在天线单元间加载接地枝节改善隔离效果，在馈线附近加载寄生枝节实现双陷波特性，仿真和实测均表现出良好的特性。结果表明，天线体积仅为32 mm×24 mm×0.8 mm，带宽为3～11.5 GHz，具备WLAN和X波段的双陷波特性，且在工作频段内，天线系统全向性较好，隔离度高于20 dB，具有较低的包络相关系数和较高的分集增益。该超宽带MIMO天线体积较小，具有高隔离和双陷波特性，性能良好，可广泛应用于多数无线通信设备。