一种基于寄生单元结构的高隔离度MIMO天线

王再跃，汪建安，安凯，潘旭

（合肥联宝信息技术有限公司，安徽合肥， 230000）

0 引言

随着无线通信技术的飞速发展，人们对通信终端设备的要求越来越高，特别是对于终端数据的传输速率、信道质量、信道容量等需求越来越大[1]。无线局域网（Wireless Local Area Network, WLAN）作为当下应用最为广泛的通信技术，其已经完全融入人们的生活中。为了适应大量的应用需要，新增5.925~7.125GHz的Wi-Fi 6E频段来进一步拓宽频谱范围。与WiFi 5相比，Wi-Fi 6E能够更好地为大量WiFi终端提供服务，特别是在多用户的市中心，体育场，商场，机场等密集环境中。而天线作为无线电波发射和接收的核心部分，多输入多输出（Multiple-input Multiple-output，MIMO）天线技术也已被越来越广泛地应用在当前的WLAN天线系统[2~3]。MIMO技术相对于传统无线通信技术有着明显优势，首先它能够充分利用空间资源，利用分集技术实现多天线的收发，继而实现系统容量的有效提升。其次，传统无线通信系统中由于多径效应信号衰落更为严重，导致信号失真和误码，而MIMO系统能够通过多天线带来的多径空间分集增益，明显抑制信号衰落，降低误码率，提高通信质量。此外，MIMO技术还能够大幅提高系统的数据传输率、扩大系统信号的覆盖范围[4]。特别地，当前笔记本电脑设计专注于外观的新颖化、小型化以及功能的多样性。一方面笔记本电脑的天线空间环境受到了严峻的挑战，另一方面，新时期笔记本电脑对其天线的小型化、宽频带、高性能等要求也越来越高。因此，研究应用于笔记本电脑的MIMO天线设计仍具有十分重要的意义。

目前，基于MIMO技术的WLAN天线在小型化、宽频带等研究领域已经吸引了国内外学者的广泛关注。例如，一些学者利用曲流技术、弯折技术实现天线的小型化[5-6]；也有一些研究人员通过辐射贴片加载缝隙结构等实现宽频带双频天线[7]。但是，上述MIMO天线系统一般都需要保证天线单元之间具有较低的耦合性[8]，所以，MIMO天线的设计关键点之一是如何提高天线单元之间的隔离度。已知地板缝隙结构利用抑制表面波带来的互耦可以改善MIMO单元天线之间的隔离度[9]，不过针对笔记本电脑WLAN天线的大多数PCB方案中笔记本天线的参考地设计一般都需要保持设计完整性。所以，通过地板缝隙结构来优化笔记本电脑MIMO天线隔离度性能的设计往往较少；其次，内置解耦网络的设计方法因需要根据MIMO天线频段数去设计多频段的去耦网络，通常这种去耦结构设计复杂度较高[10]，目前在笔记本电脑MIMO天线中的实际应用较少；此外，通过在笔记本电脑MIMO单元天线之间增加中和线的方法需要将MIMO单元天线的本体进行连接，这种方法也存在着带宽较窄、复杂度大等痛点，当前在多频宽带的笔记本电脑MIMO天线上的也很少应用[11]。

针对以上问题，本文首先设计了一种适用于笔记本电脑WLAN的2.4GHz、5GHz、WiFi-6E多频宽带的双单元MIMO天线。通过在传统的笔记本电脑MIMO天线单元之间新增两个地板寄生单元结构，利用寄生单元结构的两个相位相反电流的抵消有效地削弱了MIMO单元天线间的耦合，提高了MIMO单元天线在低频和中高频的端口隔离度。通过对上述笔记本电脑MIMO天线进行仿真和实际测试，实验结果表明：本文提出的笔记本电脑MIMO天线在2.4~2.484GHz、5.15~5.35GHz、5.725~5.875GHz以及5.925~7.125GHz频段内回波损耗良好，笔记本电脑MIMO单元天线的隔离度小于-22dB。同时，天线的结构设计简单，加工成本低，对后续笔记本电脑MIMO天线设计具有一定的参考价值。

1 天线结构设计

笔记本电脑MIMO天线的整体结构如图1所示，该MIMO天线采用相对介电常数为εr=4.3，损耗角正切为0.025的FR-4介质基板，基板厚度为0.4mm，介质基板的整体尺寸为90mm×10mm×0.4mm。根据天线设计原理，天线尺寸与天线谐振频率的关系如下面（1）式所示：

图1 天线整体结构图

其中，f0为天线的谐振频率，c为真空中光的传播速度，L为天线辐射体的长度，W为天线辐射体的宽度；为了实现笔记本电脑MIMO单元天线的小型化，本文提出的MIMO单元天线均采用弯折型的PIFA天线形式，MIMO单元天线尺寸均为30mm×8.6mm。

通过采用基于时域有限积分法的电磁仿真软件CST对笔记本电脑MIMO天线的结构参数进行优化仿真，最终得到的基于寄生单元结构的笔记本电脑MIMO天线结构尺寸如表1所示。

表1 天线结构尺寸 单位：mm

2 天线性能分析

笔记本电脑MIMO天线的设计过程如图2所示，本文主要通过在传统的笔记本电脑MIMO天线单元之间增加两个地板弯折型寄生单元结构，利用寄生单元结构的两个相位相反电流的抵消来有效削弱MIMO单元天线间的耦合，从而实现单元天线端口间的较高隔离度。

图2 MIMO天线设计过程

图3和图4分别给出了带有寄生单元结构笔记本电脑MIMO天线的S参数曲线和笔记本电脑MIMO天线有无寄生单元结构的S21隔离度对比曲线。由图可知，加入寄生单元结构后，在2.4~2.5GHz频段内，S21由整体频段内小于-16dB变为小于-22dB，在5.15~5.35GHz、5.725~5.875GHz以 及5.925~7.125GHz频 段 内，S21由整体频段内小于-26dB变为小于-27.6dB。特别的，针对2.4GHz的低频段，带有寄生单元结构的笔记本电脑MIMO天线隔离度得到了明显改善。同时，笔记本电脑MIMO天线谐振频率整体向低频偏移，易于实现笔记本电脑MIMO天线的小型化。

图3 带有寄生单元结构天线的S参数

图4 有无寄生单元结构的隔离度对比

为了对笔记本电脑MIMO天线的辐射机理和寄生单元结构的隔离有效性，特别地，我们对笔记本电脑MIMO天线在2.45GHz和5.5GHz时的表面电流分布图进行了仿真分析。图5和图6分别给出了笔记本电脑MIMO天线在2.45GHz和5.5GHz有无寄生单元结构的表面电流分布对比。如图5(a)所示，在未添加寄生单元结构时，在MIMO天线单元Port1为激励端口，非激励端口Port2处存在着较强的耦合电流；同理，在MIMO天线单元Port2为激励端口，非激励端口Port1处也存在着大量的耦合电流。即在未添加寄生单元结构时，笔记本电脑MIMO单元天线之间存在着非常强烈的耦合作用，这将严重影响MIMO天线的隔离度特性。如图5(b)所示，当添加寄生单元结构时，MIMO天线上的耦合电流主要集中于寄生单元结构上，笔记本电脑MIMO单元天线辐射体上的耦合电流明显减弱，即寄生结构单元改变了MIMO天线辐射体上的电流分布情况，这种寄生结构单元能恰当地阻隔两个单元天线之间的耦合作用，保证了天线的工作性能。同样地，由图6所示，在笔记本电脑MIMO单元天线之间增加寄生单元结构可以有效地减弱单元天线之间的耦合作用，改善天线系统的隔离度。

图5 MIMO天线在2.45GHz时的表面电流分布图

图6 MIMO天线在5.5GHz时的表面电流分布图

为了进一步验证本文提出的笔记本电脑MIMO天线的性能，我们对笔记本电脑MIMO天线进行实物加工并且利用Agilent E5071C矢量网络分析仪对天线进行测试。具体地，本文提出的笔记本电脑MIMO天线通过同轴线进行馈电，同轴线的线径尺寸为1.13mm，线长约为260mm；其中同轴线的一端作为激励端口直接焊接在MIMO单元天线的馈电点位置，同轴线的另一端为Ipex接头。笔记本电脑MIMO天线测试时，通过Ipex接头转SMA，SMA转N转接头连接到Agilent E5071C矢量网络分析仪。图7和图8分别是笔记本电脑MIMO天线的加工实物图和天线实测的S参数曲线图。由图可知，笔记本电脑MIMO天线的实测与仿真S参数曲线只在高频部分出现了少量的偏移，其余部分基本与仿真结果吻合。本文设计的笔记本电脑MIMO天线在2.4~2.484GHz、5.15~5.35GHz、5.725~5.875GHz以及5.925~7.125GHz频段内回波损耗良好，能够完全覆盖WLAN天线的应用需要。

图7 天线加工实物图

图8 天线实测S参数曲线图

3 结论

本文设计了一种用于2.4~2.484GHz, 5.15~5.35GHz,5.725~5.875GHz和5.925~7.125GHz频段的多频宽带笔记本电脑MIMO天线，通过在笔记本电脑MIMO单元天线之间增加弯折型寄生单元结构提高了笔记本MIMO天线在整个应用频段的天线端口隔离度。通过电磁软件对笔记本电脑MIMO天线进行仿真和实际加工测试，结果表明：笔记本电脑MIMO天线在2.4GHz、5GHz、WiFi-6E频段内的天线阻抗匹配良好，笔记本电脑MIMO单元天线之间的端口隔离度均小于-22dB，本文提出的笔记本电脑MIMO天线结构设计简单，制造成本低，能够满足WLAN天线的技术应用要求。