一种新型5GHz频段4个单元MIMO天线系统的设计

宋凯凯

(中国传媒大学，北京 100024)

1 引言

MIMO(Multi-input Multi-output，多输入多输出)是指通过多个天线发射和接收多个数据流，对提高数据率和信道容量有很大作用，同时，可提高系统的稳定性、减小误比特率[1]。现代无线通信技术的快速发展要求通信设备具有较高的数据率，而传统SISO(Signal-input Signal-output )系统的信道容量由香农公式决定，为满足高速数据率这一要求，MIMO技术在第四代移动通信中得到广泛应用，从发展趋势可预见，在第五代移动通信中必为关键技术之一。

MIMO天线系统能有效的提高无线通信系统的性能，它可提供一个很高的数据率，从理论上来看，数据率的线性增加是由于发射和接受天线终端数目的增加而产生的。MIMO天线系统的另一个优点是易于在小型移动设备或移动服务终端集成。然而，MIMO天线的设计也面临很多挑战。数据率的高低与天线的数量直接相关，设计紧凑的具有合理增益和其他性能的MIMO天线，使其易于在无线移动终端集成。由于天线系统总体积的限制，各个天线单元之间较近的距离会产生耦合，但增大单元之间的距离不是很实用对于小型的移动通信设备，所以高隔离度的多单元MIMO天线系统设计是很重要的[2]。

对于各个频段MIMO天线的设计研究多种多样，在文献[3][4][5][6]中实现了不同结构工作在2.4GHz MIMO 天线。在文献[3]中，设计了一个紧凑型4单元MIMO天线，整体尺寸为100×50×0.8mm3，工作在2.48GHz时带宽为50MHz，当相关系数为0.09时，天线单元之间的最小隔离度为10dB；文献[4]设计了一个4x4平面倒F的MIMO天线，大小为120×120×16.4mm3，工作频段在2.4-2.8GHz，有400MHz带宽，该频段内反射系数在-7dB左右，各单元间的相关系数小于0.5；文献[5]提出的天线结合了两种天线，上面是一对反向印制的F天线，背面是一对四分之一波长的缝隙天线来提高上面两F天线之间的隔离顾，该天线工作在2.48GHz，最大增益为2.4dBi，总体积为40×40×1.6mm3；论文[6]提出一款具有宽频带的天线，所在频段为1.63-2.05GHz，隔离度好于24dB，最大增益为2.72 dBi，相关系数为0.01，尺寸为80×80×1.52mm3。在新的802.11ac无线局域网(WLAN)的通信标准下，频率在5GHz的天线广泛应用，在文献[7][8]中均提出了此类天线。文献[7]中，提出一个高度紧凑的工作在5GHz频带8单元MIMO天线，天线基于传统的FR-4介质，总尺寸为100×50×0.8mm3。天线单元之间的最小隔离度为10.5dB，单元最大增益为-0.16dBi；文献[8]设计了由两个PIFA构成的工作在4.7-6.2GHz频带，文中有垂直和水平两种构造，天线尺寸适合在手机中使用。天线的设计研究已经不仅仅局限于单一频率，双或多频段的天线已经研究出来，在文献[9][10][11][12][13]中分别提出了工作在双频下的MIMO天线。在文献[9]中，设计了一种紧凑型的双频微带贴片阵列天线，工作在3.5GHz和5GHz频率下，1×2和1×4的线性阵列均呈现出来，两种阵列形式都满足4G LTE和WLAN系统。文献[10]中提出一种类似数字“4”形状的MIMO天线，覆盖频段为734-790MHz和2307-2475MHz，基于介质FR-4大小为58×110×1.56mm3。所得天线单元在770和2380MHz时的增益分别为-5和4.5dBi；文献[11]中设计了一款电压驻波比为2的双频水平极化平面MIMO天线，有3个单元，工作频带为2.4-2.5和4.9-6GHz，运用于OFDM WLAN系统；文献[12]中提出了一多频MIMO天线，频带分别有2.4-2.5GHz，3.4-3.6GHz，5.15-5.35GHz，5.57-5.875GHz。其天线单元由印制倒F天线构成；一个工作在2.4和5.2GHz的四单元MIMO天线在文献[13]中提出，天线单元由倒F和Koch单级子天线构成。

本篇论文中，提出了一个遵循802.11ac标准，工作在5GHz的4单元MIMO天线系统，相比两个单元天线系统，天线单元数目有所增加，天线的设计不同于之前大量的倒F天线。此次采用经典的贴片天线作为基本天线模型，在四个贴片的中心位置的正下方，分别加载了微型圆柱，用来改善天线各个单元之间的耦合，即隔离度问题。天线匹配作为一基本问题，设计中通过在贴片上开缝隙来达到满意的匹配效果。本文中MIMO天线系统的尺寸为100×50×0.8mm3.

以下内容分三部分，第一部分，对天线的设计进行完整描述；第二部分，分析仿真结果；第三部分，全篇总结。

2 MIMO 天线设计

整个天线的设计在HFSS中完成，天线工作在5GHz，不同于以往的由单个辐射贴片构成的天线，本文天线系统由四个相同的辐射贴片，而且实现了高度微型化。贴片天线易于构造、廉价、很容易在电子产品中集成。设计中所采用的介质为介电常数为4.4的FR4，其厚度为0.8mm，每个贴片天线的大小为18x14mm2，天线总体大小为100x50x0.8mm3，而四个单元只占天线总空间的50%。每个贴片由微带线作为激励，选取合适的微带线宽度，使其匹配到50Ω。在每个贴片天线的底部嵌入一个微型圆柱，减小各单元之间的耦合作用，圆柱的大小对隔离度构成了一定的影响，经多次仿真结果，最终选定底面所嵌圆柱高为0.5mm，半径为1mm。

整个MIMO天线系统中HFSS中的的模型如下图，天线的上表面在图1中，下表面在图2中。

图1

图2

3 仿真结果

天线设计和仿真均在仿真软件HFSS中进行。图3中，显示了天线的反射系数，当VSWR<3时，频率范围为4.84-5.1GHz，带宽为260MHz。

图3

隔离度是多单元MIMO天线系统的一个重要参数，天线的性能直接与不相互耦合的单元个数决定，高隔离度是一个天线性能好所必不可少的，仿真所得隔离度的曲线如图4所示，由于单元单元端口间的对称性，图中仅显示了单元一与其他三个单元间的隔离度，由图可知最小隔离度为24.3dB。天线单元的增益图如图5，最大增益方向上增益为1.42dB。

图4

图5

4 总结

本文设计了一个紧凑型工作在5GHz的4单元MIMO天线，该天线遵从IEEE802.11ac无线通信标准。采用传统的FR-4介质，整个天线的尺寸为100x50x0.8mm3。天线单元间的最小隔离度为24.3dB，单个天线单元的最大增益为1.42dB。所设计的天线可用于工作在5GHz频段的手持和其他小型无线通信设备中。

参考论文

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