双频段MIMO印刷偶极子天线设计

摘 要：该文设计一款双频段MIMO印刷偶极子天线系统，由2个天线单元组成，每个辐射单元由2个不同尺寸的微带开口环组成。通过在地板上开方形栅格，减少了2个天线单元之间的耦合，提高天线端口间的隔离度，在2个工作频段内隔离度均高于25 dB。

关键词：多输入多输出天线；隔离度；双频段；结构设计；辐射方向

中图分类号：TN822 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）29-0056-04

Abstract： A dual-band MIMO printed dipole antenna system is designed in this paper， which is composed of two antenna elements， each of which is composed of two microstrip open rings of different sizes. By opening a square grid on the floor， the coupling between the two antenna elements is reduced， and the isolation between the antenna paSYnpSjLk5v1NiwGT1u8l7r3VJY8ywQ/fy1aowX4jXc=orts is improved， which is higher than 25 dB in the two working frequency bands.

Keywords： multi-input multi-output （MIMO） antenna; isolation; dual-band; structural design; radiation direction

近年来，现代通信技术的快速发展对系统容量和频谱效率提出更高的要求，MIMO技术应运而生。由香农定理可知，若想提高系统容量，需要从独立信道数，有效带宽以及信噪比3个方面进行改善。MIMO系统中收发端各有多根天线，发射机和接收机之间采用不同天线配置的组合，可以大大提高数据传输速率，同时也可以提高系统容量。然而，无线系统的迅猛发展给无线通信系统的设计提出了更严格的要求，例如更多的无线频谱资源、更快的数据传输速率、更大的信道容量以及更小的天线尺寸等[1]。但是，随着天线单元距离的不断减少，天线单元间的耦合问题越来越严重，进而会影响MIMO天线系统的信道容量。

降低天线单元间互耦的方法很多。例如，文献[2]引入紧凑平面螺旋线，文献[3]采用中和线法，将2个相邻天线单元用2条中和线连接，使流过中和线的电流与流过接地板的电流流向相反，从而抵消，提高隔离度。在文献[4]中，在地板上开四分之一波长的矩形槽来实现去耦合目的，使隔离参数大于14 dB；在文献[5]中，在U型辐射贴片之间引入电磁带隙结构，将隔离度增加到15 dB以上。以上的诸多解耦方法中，采用缺陷地技术，在接地板开槽操作最为简易，其结构简单而且不会使天线尺寸增大。

本文提出了一种双频MIMO印刷偶极子天线，去耦合结构采用基于缺陷地技术的谐振缝隙，耦合电流被束缚在谐振缝隙中，所以天线隔离度显著提高。

1 天线结构设计

1.1 天线单元结构

MIMO天线系统提出的双频段天线单元如图1所示。为实现天线小型化，天线单元设计成由2个不同尺寸的矩形开口环构成的复合结构。其中，一个开口环接50 Ω的微带馈线，另一个接地，开口环之间通过电磁耦合从而形成偶极子结构。开口环尺寸的差异是实现双频特性的基础，并且通过调节环的尺寸可以控制谐振频率在预设的两频段内。内环尺寸小，易实现高频段谐振，而外环尺寸大易实现低频段工作。

天线采用的介质基板为FR4材料，其介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02，基板厚度为0.8 mm。此外天线单元的每个元件馈电方式为同轴线馈电，该同轴电缆的内部导体连接到印刷在基板正面的50 Ω微带线上，外部导体焊接在基板背面的金属地板上。采用全波仿真软件HFSS 18.0对天线进行仿真优化，得到了双频带MIMO天线的几何参数，列于表1中。

1.2 双频段MIMO天线系统

双频段MIMO天线结构示意图如图2所示。MIMO天线为对称结构，为实现低耦合，采用缺陷地技术，在接地板上开槽来改变耦合电流方向，并形成谐振结构。其优点是方便简单，可操作性强，开槽缝隙没有周期性的限制。并且地面结构的缺陷可以使电流通路得到延伸，结构可以产生空间带阻效应，改变部分耦合电流的方向，减少较低频段的2个辐射单元之间的耦合，从而实现了天线间去耦合设计。缺陷地缝隙的尺寸：WS=0.45 mm、LS1=18.6 mm、LS2=13.2 mm、LS3=9 mm。

2 天线性能分析

2.1 MIMO天线工作原理

在结构参数相同的前提下，未加入去耦合结构的天线模型（背面）如图3（a）所示，其端口散射参量，即S参数的仿真结果如图4所示。由图4中曲线可以看出，未引入去耦合结构时，端口反射系数S11<10 dB的2个工作频带范围是1.65～2.01 GHz和5.4～6.7 GHz，2个中心谐振频率分别为1.9、5.9 GHz。低频段的隔离度仅有17 dB，此时， MIMO天线的两天线单元之间电磁耦合强，天线性能差。

为降低天线间的互耦，在2个辐射单元之间的介质基板上引入方形栅格，其结构如图3（b）所示。引入去耦合结构后的S参数仿真结果如图5所示。由图5中曲线可以看出，引入去耦结构后，天线的2个谐振频率基本不变，天线端口反射系数S11<-10 dB的2个工作频带变为1.53～2.12 GHz和5.45～6.97 GHz，天线在2个频段的隔离度均大于22 dB，且在低频带范围内的隔离度达到25 dB，与未引入耦合结构相比隔离度提高了8 dB。

2.2 隔离度性能

为进一步验证隔离结构的有效性，下面给出了有无隔离结构的电流分布对比图。这里提出的隔离结构即方形栅格可以使天线地板表面分布电流的流通路径发生变化，削弱了从激励端口流向耦合端口的地板表面电流。图6和图7分别给出了在1.9 GHz和5.9 GHz时未引入去耦合结构以及引入去耦合结构2种情形的整体电流分布图。可以看出，引入方形栅格去耦结构后天线地板表面分布电流的流通路径发生变化，削弱了从激励端口流向耦合端口的地板表面电流，使耦合能量束缚在去耦合结构中，进而降低了耦合度，有效提高天线隔离度。

2.3 辐射方向图

图8给出了天线在2、5.8和6 GHz处的辐射方向图。天线在3个频点处的峰值增益分别为5.64、2.90、5.25 dBi，整体方向性良好。

图9为天线俯仰面（Theta=0°）时仿真得到的天线增益随频率的变化曲线。从图9中可以看出，天线在其工作频段内增益分别为2.3～5.3 dBi（1.53～2.12 GHz）和2.64～13.5 dBi（5.45～6.97 GHz），辐射性能较好。

2.4 天线实测结果

双频MIMO偶极子天线的实物照片如图10所示。通过矢量网络分析仪E5071C测量得到天线的S参数实测结果，如图11所示。测试结果表明，S11<-10 dB时天线工作频带范围为1.52～2.14 GHz和5.24～7.02 GHz，实现双频工作特性。天线在低频段1.6～2.14 GHz工作频段内端口隔离度大于25 dB。天线在整个高频段工作范围内隔离度均大于28 dB，实际隔离特性优于仿真结果。

3 结束语

本文设计了一种利用缺陷地技术获得高隔离度的双频MIMO天线。通过在介质基板正反面加载不同尺寸的微带开口环，实现双频特性。同时，将偶极子的2个臂折叠以减小天线尺寸，并且在地板上引入方形栅格，提高了天线端口间的隔离度。测试结果表明，天线在1.6～2.14 GHz和5.24～7.02 GHz工作频段内阻抗匹配良好，隔离度高于25 dB。此外，天线具有良好的对外辐射性能，在无线通信系统中具有一定的实际应用价值。

参考文献：

[1] 刘志伟，结顺利，吴喜亮，等.一种具有双缝隙结构的双频宽带MIMO天线[J].太赫兹科学与电子信息学报，2019，16（6）：1048-1053.

[2] XUN J H， SHI L F， LIU W R， et al. Compact dual-band decoupling structure for improving mutual coupling of closely placed PIFAs[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2017，16：1985-1989.

[3] YU Y， YI L， LIU X， et al. Mutual coupling reduction of dual-frequency MIMO array with neutralization lines[C]// 2015 Asia-Pacific Microwave Conference（APMC），IEEE，2015：1-3.

[4] SOLTANI S，LOTFI P，MURCH R D. A dual-band multiport MIMO slot antenna for WLAN applications [J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2016，16：529-532.

[5] KUMAR N， KIRAN K U. Meander-line electromagnetic bandgap structure for UWB MIMO antenna mutual coupling reduction in E-plane[J].AEU-International Journal of Electronics and Communications，2020，127：153423.