具有高隔离度的紧凑型三陷波UWB-MIMO 天线设计

南敬昌 潘俊汝 高明明 韩欣欣 刘婧

（辽宁工程技术大学电子与信息工程学院, 葫芦岛 125105）

0 引 言

现代通信技术在更替的同时，也推动了天线的更迭与发展.天线不但要求频段利用率高，更要求传输速率快、传输质量高，利用超宽带 (ultra-wideband,UWB)技术与多输入多输出（multiple-input multipleoutput, MIMO）技术结合可以实现上述要求.MIMO技术使得多个天线单元能同时在系统发送端和接收端进行信号传输[1-4].同时，UWB 频段（联邦通信委员会规定的商用UWB 频段为3.1～10.6 GHz）覆盖生活中很多常用频段，UWB 技术虽然具有很多优点，但工作频段间存在一定的交叉重合，极有可能和UWB 通信系统发生干扰[5-9]，所以需要尽可能减小部分窄带频段的电磁干扰.而拥有陷波特性的UWBMIMO 天线能够有效提升无线系统的容量和速率[10-15]，也可以有效抑制在传输过程中发生的多径效应，无论是在5G 时期还是未来6G、7G 时期，对无线通信系统的发展都有着深远影响.因此，设计一种工作频段较宽并具有陷波性能的MIMO 天线是极有必要的[16-18].

多年来，通常对天线表面进行开槽、刻蚀以及采用渐变结构等技术使天线进行有效馈电，而提高天线两单元之间隔离度的方法有中和线去耦、设置缺陷地去耦、电磁带隙（electromagnetic band gap, EBG）去耦以及在接地板上添加枝节等[19-22].文献[15]采用电磁带隙结构去耦，使天线单元间的隔离度低于−17.5 dB，并引入了一个以4.6 GHz 为中心频点的陷波频段.文献[16]在接地板引入倒L 型缝隙，使得天线隔离度最终达到−22 dB，将天线对称放置并在天线辐射贴片上刻蚀两个倒“L”型缝隙引入陷波，来抑制WLAN频段和IEEE INSAT/超长C 波段（6.3～7.27 GHz）.文献[18]在接地板上刻蚀出I 型槽与圆槽相结合的结构进行去耦，隔离度小于−20 dB，并实现了WLAN 和X 上行频段的双陷波频段.文献[19]在WiMAX（3.4～3.7 GHz）和WLAN（5.15～5.35 和5.725～5.825 GHz）频段引入两个陷波，且隔离度低于−15 dB.总体来说，UWB-MIMO 天线在保持尺寸紧凑的前提下，实现多个陷波的同时最大限度降低两单元之间的互耦是一个复杂的设计过程，现有的很多MIMO 天线虽然在固定频段内实现了各项基本要求，但是更加需要提高单元隔离度、滤除更多干扰频段，实现二者关系的最优化平衡依旧是一项具有挑战性的工作.

本文提出了一种具有高隔离度的紧凑型三陷波UWB-MIMO 天线，在保证天线的工作频段能覆盖UWB 频段的前提下，维持了天线结构的紧凑性、高隔离性和三陷波特性.天线辐射贴片采用多切角矩形来实现较宽的带宽；在接地板上加载波纹T 型去耦结构，刻蚀倒“π”型槽缝隙来实现较高隔离度；通过在贴片上刻蚀“U”型缝隙、在馈线上刻蚀类“H”型缝隙以及在右侧引入倒“C”型寄生枝节，实现了WiMAX（3.3～3.6 GHz）、WLAN（5.15～5.85 GHz）和X波段（7.25～7.75 GHz）三个频段的陷波，最终天线尺寸为38 mm×26 mm×1.2 mm，在2.9～11.3 GHz 工作频段内隔离度均低于−22.6 dB，包络相关系数(envelope correlation coefficient, ECC)低于0.01.实际测试结果与仿真结果基本一致，表明该天线具有较好的增益和辐射性能.

1 天线设计

文中设计的三陷波UWB-MIMO 天线尺寸为38 mm×26 mm，选用50 Ω 微带线进行馈电，天线印制在1.2 mm 的FR4 介质基板上，其介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02.

1.1 天线单元设计

设计天线单元的尺寸为19 mm×26 mm，考虑天线选材及尺寸，通过公式估算并优化，设置微带线宽度为2.31 mm，天线单元改进过程如图1 所示.文中采用如图1（a）中最简单的矩形作为天线辐射单元，对矩形微带线上部微调整，得图1（b）所示的阶梯状馈线，图1（c）和（d）对辐射贴片底部两侧进行多次切角，得到了一款UWB 单极子天线.

图1 天线单元改进过程Fig.1 Antenna unit improvement process

图2 为天线单元演进过程的S11变化，可以看出天线1 在低频与中频处S11高于−10 dB，不满足设计带宽；天线2 的最低截止频率仍不满足；天线3 虽拓展了低频处带宽，最低截止频率达到4.2 GHz，但高频处存在阻抗失配现象；而天线4 在保证匹配性能良好的同时有效拓宽了低频带宽，使最低截止频率降低至2.4 GHz.

图2 天线单元的S11 结果Fig.2 S11 results for the antenna unit

1.2 UWB-MIMO 天线设计

在得到上述UWB 单极子天线后，将其对称放置在介质基板上，形成二单元MIMO 天线，然后对贴片底部左侧再次进行斜切角，这种改进方法能使辐射贴片与接地板之间的电流路径进一步增多，从而降低表面电流密度，使天线在较高工作频段处的匹配性能得到有效改善，最终实现的工作频段为2.9～11.3 GHz.此时的天线虽然完全覆盖UWB 频段，但是天线两单元之间存在较强的耦合.为了解耦，在接地板上加载带有倒“π”型槽缝隙的波纹T 型去耦结构.最终所设计的UWB-MIMO 天线结构图如图3 所示，天线各参数如表1 所示.

表1 UWB-MIMO 天线的几何尺寸Tab.1 UWB-MIMO antenna geometry sizemm

图3 UWB-MIMO 天线结构图Fig.3 UWB-MIMO antenna structure diagram

2 高隔离度特性设计与分析

2.1 高隔离度天线结构设计

在天线尺寸紧凑的前提下，要将天线两单元之间的耦合作用尽可能减小.天线去耦原理实质上是改变电流路径，自身结构将分散天线中部分电流，以此降低一端天线对另一端天线的辐射，进而提高隔离度.本文通过改进接地板实现了具有高隔离度的UWB-MIMO 天线，设计过程分为以下四个步骤，天线实现高隔离度设计过程如图4 所示，设计过程中不同接地板结构对应的S21结果如图5 所示.

图4 高隔离度天线设计过程Fig.4 High isolation antenna ground design process

图5 不同接地板结构对应的S21Fig.5 S21 results for different grounding plate configurations

1）如图4（a）所示，在接地板上加载一个T 型去耦结构，使天线的S21除低频段外均达到低于−20 dB的效果；

2）如图4（b）所示，对上述T 型去耦结构进行改进，即在左右两侧添加两列半圆结构，形成波纹T 型去耦结构，此时天线的S21在整个UWB 频段内均小于−20 dB；

3）如图4（c）所示，为进一步降低天线单元间耦合，在波纹T 型去耦结构上刻蚀一个倒“T”型槽，天线隔离度有所提高；

4）如图4（d）所示将刻蚀的倒“T”型缝隙演进为倒“π”型槽缝隙，在2.9～11.3 GHz 频段内既符合UWB 特性，又将隔离度提高到22.6 dB.

2.2 高隔离度天线实现分析

1）波纹T 型去耦结构波纹T 型去耦结构由T 型结构和多个半径为1 mm 的半圆组成，由于T 型结构的竖直部分和半圆直接相连，所以在半圆半径尺寸改变的同时，半圆个数也随之发生变化.对半圆的半径R进行仿真优化分析，不同R取值对应的S21结果由图6 所示.当R=0.8 mm 时，S21高于−15 dB，不符合MIMO 天线对隔离度的要求；当R=0.9 mm 和R=1.1 mm 时，S21在工作频段内均满足低于−15 dB；当R=1 mm 时，S21得到有效提高，均低于−20 dB，隔离度的降低证明波纹T 型去耦结构有良好的去耦作用.添加多个半圆用于产生额外的耦合路径，其激励端天线单元对波纹T 型去耦结构和非激励端天线产生耦合作用，同时波纹T 型去耦结构以及非激励端天线单元对激励端天线也产生耦合作用，通过这种相互作用的抵消，提高了天线的隔离度.

图6 不同R 取值对应的S21Fig.6 S21 results for different values of R

2）刻蚀倒“π”型槽缝隙

为进一步降低低频段耦合，继续在波纹T 型去耦结构上刻蚀槽缝隙减少耦合.优化后采用刻蚀倒“π”型槽缝隙方法，并对“π”型中间的矩形宽度Ws进行优化分析，不同Ws取值对应的S21结果如图7 所示.在Ws=1.93 mm 时结果达到最优，隔离度均低于−22.6 dB，有效证明当波纹T 型去耦结构引入倒“π”型槽缝隙时对隔离度的降低起到很大作用，说明该去耦结构可以有效将电流原本路径改变，将其限制在天线的一个端口和去耦结构处，并且不会继续产生更多辐射，从而在很大程度上降低了天线两单元之间的耦合作用.两种解耦结构同时存在更加提高了天线单元间的隔离度，也保证了天线工作的性能.

图7 不同Ws 取值对应的S21Fig.7 S21 results for different values of Ws

3 陷波特性设计与分析

3.1 陷波特性设计

为了抑制WiMAX、WLAN 和X 波段下行频率三个频段信号的干扰，需要在UWB-MIMO 天线上引入陷波特性.在天线辐射贴片上刻蚀“U”型缝隙、在馈线处刻蚀类“H”型缝隙且在右侧加载倒“C”型寄生枝节，通过调整与之对应的枝节长度以及摆放位置来实现需要抑制的陷波频段.图8 为添加三种枝节前后的S11对比结果，可以明显看出，引入陷波结构后天线产生了3.18～3.61 GHz、5.05～5.86 GHz、7.11～8.15 GHz 三个频段的陷波，有效抑制了WiMAX（3.3～3.6 GHz）、WLAN（5.15～5.85 GHz）和X 波段（7.25～7.75 GHz）的干扰，每段陷波的陷波深度达到5 dB 以上，表明该天线具有良好的陷波特性，并且最终在2.9～11.3 GHz 工作频段内S11均小于−10 dB.

图8 不同陷波结构对应的S11Fig.8 S11 results corresponding to different trap structures

3.2 陷波特性分析

陷波的产生是由于在天线的辐射贴片上刻蚀了缝隙，使天线的阻抗匹配在对应频段内变差，从而使产生的频段呈陷波特性.天线表面上刻蚀的缝隙槽的长度一般为波长的二分之一，根据式（1）可计算：

式中：fcenter为工作频段的中心频率；c为光速；L为槽的长度； εeff为有效介电常数； εr为介质基板的相对介电常数.“U”型缝隙、类“H”型缝隙、倒“C”型寄生枝节对应的总长度Ls1、Ls2、Lz构成公式分别为

本文所引起陷波频段的缝隙均为在天线内部刻蚀缝隙槽，因此根据式（1）可以估算出每一个缝隙槽的总长度.

为证明陷波结构的有效性，本文分析了该三陷波UWB-MIMO 天线在三个陷波频段的中心频点3.45 GHz、5.5 GHz 及7.5 GHz 处的电流分布情况.如图9（a）所示，天线在中心频点为3.45 GHz 低频处陷波的电流大部分集中在馈线右侧的倒“C”型寄生枝节上.如图9（b）和（c）所示，天线在5.5 GHz 和7.5 GHz 处表面的电流分别集中在辐射贴片上的“U”型缝隙以及馈线上的类“H”型缝隙处.

图9 不同陷波中心频率处电流分布Fig.9 Current distribution at different trap centre frequencies

由图9 可知，这些陷波在中心频点处都产生了谐振，且缝隙两侧表面的电流流向相反，添加寄生单元产生陷波的原理和在天线表面开槽引起的陷波相似，都是在天线结构附近引起产生与天线表面方向相反的电流，使得在远场上产生的电场与天线产生的电场相叠加后抵消，形成窄带抑制，进而形成了三个频段的陷波.添加波纹T 型去耦结构后，耦合电流主要集中于波纹T 型去耦结构，使非激励端天线单元表面电流减弱.倒“π”型槽缝隙的出现再次改变了之前激励端天线的表面电流分布，使电流主要集中于波纹T 型去耦结构与倒“π”型槽缝隙附近，进一步减弱了非激励端天线的表面电流.

为精确滤除干扰的频段，对三个频段陷波中的关键参数进行仿真优化.改变关键参数时，只精准改变与之对应的陷波频段，而对其他陷波频段的影响很小，图10 为不同关键参数对陷波的影响.

图10 不同关键参数对S11 的优化Fig.10 Optimisation of S11 parameters for antenna trap structures

图10（a）中，当调整产生WiMAX 频段的倒“C”型寄生枝节中的Lf=6.57 mm 时，该频段的陷波可以覆盖WiMAX 频段，且对于其他两个陷波频段影响很小；图10（b）中，当调整产生WLAN 频段的倒“U”型缝隙中的Ls=6.09 mm 时，该频段的陷波能够覆盖WLAN 频段，且不影响其他两个陷波频段； 图10（c）中，当调整产生X 波段下行频率的类“H”型缝隙中的Lh=4.32 mm 时，该频段的陷波能够覆盖X 波段下行频率，在不影响整体陷波频段的情况下，天线工作频率的截止频率没有止于10.6 GHz.由此可见，完全可以通过优化陷波结构的关键参数，根据其中心频点实现某一具体陷波频段.

4 仿真与实测结果分析

4.1 S 参数

为检验提出的具有高隔离度的紧凑型三陷波UWB-MIMO 天线的性能，对制作的实物天线进行实测，实物图如图11 所示，图12 为仿真和测试的S 参数结果.从图12 中可以看出，天线在2.9～11.3 GHz 内S11＜−10 dB，且其在工作的UWB 带宽内S21＜−22.6 dB，同时具有3.18～3.61 GHz、5.05～5.86 GHz 和7.11～8.15 GHz 频段内的三个陷波.从测试的S21可以看出，天线隔离度均大于22.6 dB，结果表明天线在2.9～11.3 GHz 的工作频段内具有良好的隔离度.

图11 天线实物图Fig.11 Physical view of the antenna

图12 S 参数仿真与实测结果Fig.12 S parameter simulation versus actual measurement

4.2 辐射特性

图13 是天线在3.45 GHz、5.5 GHz 和7.5 GHz 频率处的远场E 面、H 面测得的仿真和实测二维辐射方向图.可以看出，在仿真中天线的辐射特性较好，低频处的天线在H 面基本呈现全向性，在E 面大概呈现为数字“8”的形状，E、H 面呈现的方向图与理想预期十分吻合，符合UWB-MIMO 系统中的工作需要.

图13 E、H 面仿真与实测结果Fig.13 E, H-surface simulation and measurement results

4.3 包络相关系数（ECC）

ECC 描述了天线单元对信号接收的独立程度，ECC 理想数值应该等于0，两端口MIMO 天线的ECC 值可以由仿真和测量的S 参数代入式（6）计算得到：

图14 ECC 仿真与实测结果Fig.14 ECC simulation and real measurement results

4.4 天线增益

天线增益的稳定程度和辐射效率的高低是衡量天线性能好坏的关键指标.图15 为天线的增益图， 可以看出，在整个工作频段中天线增益稳定在 4～6 dBi，但三个陷波频段处的增益有降低趋势，分别下降至3.9 dBi、3.7 dBi 和3.3 dBi 左右.

图15 天线增益图Fig.15 Gain of the antenna

4.5 天线辐射效率

天线的辐射效率如图16 所示，可以观察到在整个工作带宽上的辐射效率约为88%，并且在陷波频段处呈现凹陷趋势.

图16 天线辐射效率Fig.16 Radiation efficiency of the antenna

4.6 天线性能比较

表2 为文中所设计的高隔离度紧凑型三陷波UWB-MIMO 天线与已发表文献中天线的性能参数对比.可以看出，与其他多陷波文献相比，虽然陷波在数量上相近，但是本文的天线陷波频段更加完整、带宽更宽、隔离度更高，既更好地平衡了带宽、隔离度与陷波数量之间的关系，又在尺寸以及ECC 参数上都有突出的优势.

表2 MIMO 天线性能对比Tab.2 MIMO antenna performance comparison

5 结 论

本文设计了一种具有三陷波特性的紧凑型UWBMIMO 天线.改进天线贴片后，天线尺寸为38 mm×26 mm×1.2 mm，实现了2.9～11.3 GHz 的工作频段.通过在辐射贴片上刻蚀“U”型缝隙、在馈线上刻蚀类“H”型缝隙以及在右侧加载倒“C”型寄生枝节，最终在3.18～3.61 GHz、5.05～5.86 GHz 和7.11～8.15 GHz 频段具有陷波特性，覆盖了WiMAX 频段、WLAN 频段和X 波段下行频率的频段.在接地板引入倒“π”型槽缝隙的波纹T 型去耦结构后，降低了天线单元间的互耦，使天线隔离度在工作频段内均低于−22.6 dB，且ECC＜0.01.天线性能各项良好，可广泛适用于无线通信等领域中.