应用于5G的高隔离双频MIMO天线设计

王 鹏，程号迪，韩国瑞

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

随着世界进入“第四次工业革命”，人们迫切希望通信系统能够低延迟、高速度。多输入多输出(multiple input multiple output，MIMO)天线技术可以通过空间复用提高通信系统的信道容量，其独特的优势被视为能满足第5代移动通信(5G)需求的核心技术之一。然而通讯设备的小型化发展导致天线单元之间的耦合增加。因此，降低天线端口之间的耦合，提高隔离度成为MIMO天线的研究重点。

对于单频段MIMO天线，第1种提高天线隔离度的方法是使用缺陷地结构。文献[1]在天线阵列之间的接地板刻蚀曲折线槽，使天线在4.94 GHz～4.99 GHz工作频段内隔离度提高了11 dB以上；文献[2]通过刻蚀锥形槽阻断天线之间的耦合电流，使天线在中心谐振频率2.45 GHz处的隔离度达到了40 dB；文献[3]在天线阵列的两侧刻蚀了一对带有4个短截线的矩形槽，使天线隔离度在-10 dB工作频段内大于20.1 dB。第2种提高天线隔离度的方法是使用谐振器。文献[4]在贴片天线阵列之间使用一对具有带阻特性的平行耦合线谐振器，使天线在-10 dB工作频段内的隔离度提高了12 dB以上。第3种提高天线隔离度的方法是使用电磁带隙结构。文献[5]通过在辐射单元之间增加具有带阻特性的分形UC-EBG，使天线端口之间的隔离度在-10 dB工作频段内提高了13 dB。上述文献[1-5]设计的MIMO天线在单个频段内的隔离度得到提高。

对于多频段MIMO天线，同时提高多个工作频段内的隔离度仍存在一定的困难。文献[6]在“4”字型双频MIMO天线单元之间引入缺陷地结构，使天线在803 MHz～823 MHz的较低工作频段内的隔离度达到17 dB以上；文献[7]设计了一种同时工作在2.4 GHz～2.5 GHz和4.9 GHz～5.725 GHz的MIMO缝隙天线，通过刻蚀矩形槽和L型槽阻断天线之间的耦合电流，端口之间的隔离度在-10 dB工作频段内均大于12 dB；文献[8]在倒F双频MIMO天线单元之间的接地板上刻蚀T型槽提高天线在较低频段隔离度，并在T型槽中插入弯曲线谐振器来提高天线在较高频段隔离度；文献[9]设计的多分支结构的3频MIMO天线低频段采用对称分布解耦，倒U型中和线与两个天线单元相连，可以提高天线在中频段的隔离度，U型中和线与两条微带线相连可以提高天线在较高频段的隔离度，天线在中心谐振频率2.3 GHz, 3.5 GHz和5.7 GHz时隔离度分别大于15 dB, 30 dB 和20 dB；文献[10]在双倒L型双频MIMO天线单元之间的接地板上引入T 型枝节，端口之间的隔离度在-10 dB工作频段内均大于18 dB。文献[6-10]设计的MIMO天线在多频段内隔离度得到提高，但在多个工作频段内如何同时实现较高的隔离度仍需要进一步研究。

本文设计了一个适用于5G的n41, n78频段、结构简单的双频MIMO天线。通过在单极子天线单元上延伸出L型枝节产生新的谐振来实现双频，并将两个结构相同的双频天线单元以对称方式进行放置。在天线单元之间的接地板上蚀刻一个C型槽和一个接地枝节来改善天线两端口之间的隔离度，实测结果表明，端口之间的隔离度在工作频段内分别大于22 dB, 20 dB。

1 双频MIMO天线的初始设计

本文所设计的适用于5G的n41, n78频段的双频MIMO天线的初始结构如图1 所示。天线印刷在厚度为1.6mm的FR4介质基板上，介质基板的长l、宽w分别为天线在X,Y方向上的长度。MIMO天线由两个相同的双频天线单元对称放置，天线单元由50 Ω微带线、长度为l1的主支和长度为l2+l3的L型分支组成，其中长度为l1的主支激发高谐振，L型分支激发低谐振。初始MIMO天线的尺寸如表1 所示。

图1 初始双频MIMO天线的结构

表1 初始MIMO天线的尺寸

初始双频MIMO天线的S参数如图2 所示，天线的-10 dB工作频段为2.34 GHz～2.74 GHz和3.32 GHz～3.78 GHz，两个工作频段内的隔离度分别大于17.8 dB, 10.3 dB，两端口之间的隔离度较差。

图2 初始双频MIMO天线的S参数

2 解耦结构的设计与分析

MIMO天线的设计过程如图3 所示，首先在天线Ⅰ的接地板上蚀刻一个C型槽构成天线Ⅱ。之后在天线Ⅱ单元之间的“凸形”接地板上加载一个矩形接地枝节构成天线Ⅲ。解耦结构的尺寸如表2 所示。

表2 解耦结构的尺寸

2.1 缺陷地结构

图3 天线Ⅱ的接地板上刻蚀了一个外侧深度为l4内侧深度为l5的C型槽，此时，C型缺陷地作为带阻滤波器，改变了接地板上的电流分布，从而减少了由接地板上电流引起的相互耦合。

图3 MIMO天线的设计过程

天线Ⅰ和天线Ⅱ的仿真S参数如图4 所示。与天线Ⅰ相比，天线Ⅱ在2.6 GHz工作频段内端口之间的隔离度由17.8 dB提高到28 dB，在3.5 GHz工作频段内端口之间的隔离度由10.3 dB提高到16.2 dB。图5 为天线Ⅰ和天线Ⅱ在2.6 GHz和3.5 GHz的表面电流分布，可以看出，耦合电流主要存在于C型缺陷地解耦结构上，天线的隔离度得到提高。

图4 天线Ⅰ和天线Ⅱ的S参数

图5 天线Ⅰ和天线Ⅱ的表面电流分布

2.2 接地枝节

在图3 天线Ⅱ的接地板上加载一条长度为l6(约为天线在3.5 GHz处的1/4波长)的接地枝节，构成天线Ⅲ，进一步改善天线在较高工作频段的隔离度。接地枝节引入了新的耦合电流对原来的耦合电流进行削弱，此时天线Ⅲ在较高工作频段内的隔离度提高但影响了天线在较低工作频段内的隔离度。

天线Ⅱ和天线Ⅲ的仿真S参数如图6 所示。与天线Ⅱ相比，天线Ⅲ在3.5 GHz工作频段内端口之间的隔离度由16.2 dB提高到22 dB。天线Ⅲ的-10 dB工作频段为2.42 GHz～2.74 GHz和3.19 GGz～3.79 GHz，端口之间的隔离度在两个工作频段内分别大于20 dB, 22 dB。图7 为天线Ⅱ和天线Ⅲ在3.5 GHz的表面电流分布，可以看出，耦合电流主要存在于解耦结构上，天线的隔离度得到提高。

图6 天线Ⅱ和天线Ⅲ的S参数

图7 天线Ⅱ和天线Ⅲ的表面电流分布

3 天线的测量结果

为了验证所设计天线的性能以及仿真结果的正确性，按MIMO天线最终的模型进行加工及测试。使用Agilent N5222A矢量网络分析仪测量天线的S参数。设计天线的实物如图8 所示。

(a)天线正面图

设计天线的仿真与实测S参数如图9 所示，仿真的-10 dB工作频段为2.42 GHz～2.74 GHz和3.19 GHz～3.79 GHz。天线实测的工作频段为2.55 GHz～2.75 GHz和3.28 GHz～3.85 GHz，与仿真结果相比，天线-10 dB工作频段向高频偏移、隔离度存在差异，这主要源于所选用的FR-4环氧玻璃布层压板的介电常数与理论值存在偏差以及焊接加工过程误差。此外，天线的实测结果表明，通过在天线单元之间的接地板上蚀刻一个C型槽和一个接地枝节，使天线具有高隔离特性，端口之间的隔离度在工作频段内分别大于22 dB, 20 dB。

图9 MIMO天线的仿真和测量S参数

在微波暗室中测试了不同频率下的辐射方向图。图10 为MIMO天线的测试环境图。图11 为MIMO天线在2.6 GHz和3.5 GHz两个频率处的归一化二维辐射方向图。天线的归一化二维辐射方向图除个别方向发生畸变外，E面和H面的主极化形状大体分别呈“8”字形和圆形，呈现较好的全向辐射特性。

图10 MIMO天线的辐射方向图测试

(a)2.6 GHz

表3 对比了本文天线和部分参考文献中所设计天线的尺寸、工作频段、相对带宽以及隔离度。从对比结果可知，文献[1]只在单个频段内隔离度得到提高。除文献[7]外，本文天线尺寸最小。与文献[6-9]中多频段MIMO天线进行对比，该天线具有结构简单、隔离度高的特点。

表3 MIMO天线的性能比较

4 结 论

本文设计了一个适用于5G的n41，n78频段的双频MIMO天线。通过在单极子天线单元上延伸出L型枝节产生新的谐振来实现双频，并将两个结构相同的双频天线单元以对称方式进行放置。在天线单元之间的接地板上蚀刻一个C型槽和一个接地枝节来改善天线两端口之间的隔离度。天线实测结果表明，天线的-10 dB工作频段为2.55 GHz～2.75 GHz和3.28 GHz～3.85 GHz，端口之间的隔离度在工作频段内分别大于22 dB, 20 dB。