小型化超宽带多输入多输出天线的设计

荀一峰，韩丽萍

（山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006）

0 引言

超宽带（UWB）技术凭借高数据传输速率、抗干扰能力较强等优点被应用于无线通信系统中［1］。而由于UWB 技术的低发射功率，UWB 技术也广泛地应用在短距离无线通信领域，但会使通信质量降低，多径衰落严重。使用多输入多输出（MIMO）技术可以提升信道容量［2-3］，克服多径衰落［4-5］。近年来，研究者们将UWB 技术与MIMO 技术相结合，逐渐发展为超宽带多输入多输出（UWB-MIMO）技术［6］。天线对于无线通信系统来说尤为重要，UWB-MIMO 天线也成为近年来研究者们研究天线的热点之一［7-8］。基于UWBMIMO 天线隔离度的需求，天线单元距离一般需超过中心频率的1/2 波长，使得天线尺寸较大，无法满足现代的小型化通信设备［9-10］。如何在满足UWB-MIMO 天线隔离度的同时实现天线小型化，成为了国内外学者研究的重要方向。

现阶段改善小型化UWB-MIMO 天线隔离度的方法有加载解耦枝节［11-14］、中和线结构［15］、缺陷地结构［16］和EBG 结构［17］等。文献［13］在地板上加载T 型枝节并刻蚀二阶希尔伯特分形槽，天线在2.56 GHz～19.74 GHz 工作频带的隔离度大于15 dB，尺寸为0.31λg×0.51λg。文献［15］采用缺陷地结构，在辐射贴片刻蚀Minkowski 分形槽，辐射单元间加载希尔伯特分形中和线，天线在3.05 GHz～13.50 GHz 工作频带的隔离度大于15 dB，尺寸为0.57λg×0.70λg。文献［16］在地板上刻蚀T 型缝隙和矩形缝隙，改善隔离度和阻抗匹配，天线工作在3.1 GHz～10.6 GHz，隔离度大于18 dB，尺寸为0.48λg×0.56λg。文献［17］通过在天线单元间加载EBG 结构，改善了隔离度，天线工作在2.5 GHz～12.0 GHz，隔离度大于15 dB，尺寸为0.47λg×0.47λg。以上文献中天线隔离度都达到15 dB，但天线尺寸较大。在保持天线隔离度的前提下实现天线的小型化仍然是天线设计的迫切需求。

本文设计了一种小型化二端口超宽带MIMO 天线。该天线由两个加载C 型枝节的小型化超宽带单极子对称放置组成。在阶梯型馈线两侧刻蚀一对矩形缝隙，实现天线单元小型化。地板刻蚀矩形槽，缝隙中加载T 型枝节，在T 型枝节两侧加载弯折线结构，提高天线隔离度。测量结果表明，该天线带宽为2.5 GHz～10.8 GHz，隔离度大于17 dB，尺寸仅为25 mm×33 mm×1 mm，适合现代小型化超宽带通信设备。

1 超宽带MIMO 天线设计

1.1 天线结构

图1 为天线结构示意图。该天线采用的馈电方式为共面波导馈电，由两个对称放置的正七边形单极子组成。在辐射贴片上加载C 型枝节，并在阶梯型馈线两侧的地板上刻蚀一对矩形缝隙，实现超宽带；接地板刻蚀矩形缝隙，缝隙中加载T 型枝节，在T 型枝节两侧加载弯折线结构，改善了隔离度。天线采用FR4 介质基板，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为1 mm。仿真优化后的几何参数如表1 所示。

图1 天线结构示意图Fig.1 Structure of the proposed antenna

1.2 天线隔离度改善

图2 为天线隔离度改善过程，Ant1 由两个超宽带单极子单元对称放置组成MIMO 天线；Ant2 在中间地板刻蚀矩形缝隙，在缝隙中加载T 型枝节；Ant3 为本文所提出的二端口MIMO天线。图3 给出了图2 中MIMO 天线的S参数曲线。如图所示，在天线演进过程中，-10 dB阻抗带宽变化不明显。Ant1 在工作频带范围内隔离度大于5 dB。Ant2 在地板刻蚀矩形缝隙，在缝隙中加载T 型枝节，整个工作频段范围内隔离度均大于13 dB。Ant3 在T 型枝节两侧加载弯折线结构，天线在2.5 GHz～3.5 GHz频段隔离度得到改善，工作频段范围内隔离度均大于17 dB。最终Ant3 的工作频带为2.5 GHz～10.8 GHz，工作频带范围内的隔离度大于17 dB。

图2 天线隔离度改善过程Fig.2 Improved isolation process of antenna

图3 图2中天线的S参数图Fig.3 S parameters of antenna in Figure 2

为了进一步解释T 型枝节和弯折线结构改善隔离度原理，对天线表面电流分布进行研究。图4 给出了MIMO 天线在3 GHz 和7 GHz下的表面电流分布，端口1 被激励，端口2 接50 Ω 匹配负载。如图所示，Ant1 在3 GHz 和7 GHz时，端口2 存在较强耦合电流；Ant2 在3 GHz 和7 GHz 时，端口2 耦合电流明显减少；在T 型枝节两侧加载弯折线结构演进为Ant3，在3 GHz时，端口2 耦合电流进一步减少。综上所述，加载T 型枝节可以改善整个工作频段范围内的隔离度，加载弯折线结构可以进一步提高低频段的隔离度。

图4 天线表面电流分布图Fig.4 Surface current distribution of antenna

2 参数分析

通过对所设计天线进行敏感性分析，发现T 型垂直枝节长度w7，弯折线的长度ls（2×l5+5×l4+6×w5）对天线单元间隔离度产生较大影响。

图5 给出了不同T 型垂直枝节长度w7对天线S参数的影响。由图5 可知，随着w7的增大，天线-10 dB 阻抗带宽几乎不变，天线单元间隔离度先变好后变差。当w7从23.6 mm 增加到23.8 mm 时，工作频段范围内隔离度从10 dB 增加到17 dB；进一步增加w7到24 mm 时，3.0 GHz～5.5 GHz 频段和6.5 GHz～8.5 GHz 频段隔离度明显降低。图6 为弯折线长度ls变化时的S参数。从图中可以看出，随着ls的增大，天线-10 dB 阻抗带宽几乎不变，弯折线长度主要影响天线低频段隔离度，2.5 GHz～4.0 GHz 频段天线单元间隔离度先变好后变差。当ls从43.5 mm 增加到45.4 mm 时，工作频段范围内隔离度从11 dB增加到14.5 dB；进一步增加ls到47.3 mm 时，2.5 GHz～4.0 GHz 频带范围内隔离度均大于20 dB。

图5 不同w7对S参数的影响Fig.5 Effects of different w7 on S parameter

图6 不同ls对S参数的影响Fig.6 Effects of different ls on S parameter

3 结果与讨论

图7 给出了所设计天线实物图，该天线印制于FR4 介质基板上，使用矢量网络分析仪测试所设计天线的S参数，使用自动天线测量系统测试所设计天线在E 面和H 面的二维辐射方向图。

图7 天线实物图Fig.7 Photograph of antenna

图8 为天线仿真和测试的S参数曲线。从图中可以看出，实测结果与仿真结果基本一致。测试的工作频带为2.5 GHz～10.8 GHz，天线隔离度大于17 dB，表明天线在超宽带范围内具有良好的隔离度。

图8 仿真和实测S参数图Fig.8 Simulated and measured S-parameter curves

图9 给出了端口1 在4 GHz、7 GHz、10 GHz时的天线辐射方向图，仿真结果和测量结果基本一致，天线的辐射性能良好，表现为全向辐射。图10 中给出了MIMO 天线仿真和实测的增益曲线。如图所示，仿真结果和实际测量的增益曲线大致吻合，可以看出增益在0.2 dB～5.5 dB 之间波动。

图9 天线辐射方向图Fig.9 Pattern of antenna Radiation

图10 仿真和实测天线增益曲线Fig.11 Simulation and measurement gain curves of antenna

对MIMO 天线而言，包络相关系数可以用来说明其天线单元之间的相关性，较低的ECC则说明了该MIMO 天线具有较高的分集增益［18］，可接受的ECC 范围一般小于0.3。ECC由下式计算

其结果如图11 所示。本文天线的ECC 使用公式（1）加以计算。可以发现，在整个工作频段范围内，该天线的ECC 均小于0.005，说明该天线单元之间存在较低的相关性，并具备良好的分集特性。

图11 天线的包络相关系数Fig.11 Envelope correlation coefficient of antenna

最后，表2 给出了本文和文献中超宽带MIMO 天线的性能对比。由表可知，本文天线尺寸最小，隔离度仅小于文献［16］。与文献［16］中天线相比，本文天线的阻抗带宽拓展为2.5 GHz～10.8 GHz，增益高达5.5 dB。综上所述，本文天线覆盖超宽带频带范围，天线性能最优。

表2 小型化超宽带MIMO天线的性能对比Table 2 Performance comparison of miniaturized UWB MIMO antennas

4 结论

设计了一种小型化二端口超宽带MIMO 天线。所设计MIMO 天线的工作频带是2.5 GHz～10.8 GHz，该频带范围内的隔离度大于17 dB。天线的ECC 都小于0.005，表明该天线具备良好的分集性能。为便携式超宽带通信系统提供了很好地选择。