一种紧凑的双极化超宽带MIMO天线设计

王荣荣，刘明伟

（1. 西京学院，陕西 西安 710123；2. 西安交通大学，陕西 西安 710010）

近年来超宽带无线通信得到了学术界和业界的广泛关注，人们对超宽带天线也进行了大量的研究和设计。文献[1]设计的超宽带天线是在天线地板平面上开一个矩形槽来提高隔离度，但是设计的超宽带天线阻抗带宽过高。文献[2]提出的双极化超宽带天线，实现了阻抗匹配，可是设计中没有考虑天线的轴比问题。文献[3]中设计的多输入多输出（MIMO）超宽带天线，显著地降低了多径衰落的影响，然而设计的天线结构不紧凑，体积过大。综上所述，现有的天线无法很好满足超宽带天线结构紧凑、体积小，抗多路干扰、减少信号衰减、高隔离度、阻抗匹配等要求。

本文设计了一种新型、紧凑的双极化超宽带MIMO天线，采用一个六边形结构的贴片，实现了结构紧凑、体积小的目的，而且可以减少信号衰减、抗多路干扰等。在六边形贴片的地板平面上接一个矩形垂直臂，实现了35%的3 dB轴比带宽，以及两个端口之间的隔离。同时，在矩形垂直臂中加入一个L型散热器，提高了隔离度。该天线明显减少了多径衰落的影响，而且具有很高数据吞吐量。该天线可以应用于超宽带无线通信系统。

1 天线结构设计

图 1所示为天线的结构示意图和实物图，图 1（a）为天线结构示意图，图1（b）为天线实物的正面，图1(c)为天线实物的底面。设计的超宽带MIMO天线相对介电常数为 4.4，天线尺寸为 25 mm×25 mm×1.6 mm。天线由一个六边形贴片组成，它有两个L型的散热器，用来提高隔离度和实现阻抗匹配[4]。矩形垂直臂尺寸为L1×W1。六边形的半径为12 mm，天线采用50 Ω微带线馈电，馈线末端带有圆形调谐枝节，为了改善轴比带宽，在馈电点下方的地板上挖一个矩形缺口，形成渐变结构阻抗带宽，尺寸大小为L2×W2。获得的中心频率约为7 GHz，可以利用下面的公式对中心频率进行计算[5]：

图1 天线结构示意图和天线实物Fig.1 Antenna structure schematic and antenna object

式中：c为光速；R为六边形的半径；εr为相对介电常数；fc为中心频率。

在设计天线的过程中，首先是在地板上开两个宽槽，由于这种做法隔离度低，所以在宽槽内加上两个反射条，用于提高隔离度和激发无线通信链路频率的圆极化波辐射，为了更好实现阻抗匹配，在天线中又引入L型散热器，导致了轴向比的下降，最后，在地板上开一个矩形缺口，来提高轴比带宽。采用三维电磁仿真软件 CST对天线设计的几个阶段进行仿真，仿真结果如图2所示，为S11参数和频率的关系曲线，图3所示为隔离度和频率的关系曲线[6]。

图2 S11参数和频率的关系曲线Fig.2 The relation curves of S11 parameters and frequencies

图3 隔离度与频率的关系Fig.3 The relationship between isolation and frequency

从图2和图3中可以看出，天线设计结构的不断改进优化，其性能在不断地提高，使得最终加工出的实际天线性能可以满足超宽带MIMO天线的应用[7]。

2 测量结果和讨论

采用三维电磁仿真软件CST进行天线仿真。使用R&S ZVL矢量网络分析仪分别对圆极化轴比、天线增益和辐射特性进行测量。仿真和测量的S11参数和频率的关系如图4所示。图5所示为天线的仿真和测量的轴比（AR）和频率的关系曲线；图6所示为天线的仿真和测量增益和频率的关系曲线。天线增益在2 dBi到5 dBi之间，测量的天线峰值增益在10 GHz 下为 5 dBi[8]。

图4 S11参数和频率的关系曲线Fig.4 The relation curves of S11 parameters and frequencies

图5 AR与频率的关系曲线Fig.5 The relationship between AR and frequency

图6 天线增益和频率的关系曲线Fig.6 The relationship between antenna gain and frequency

如图7所示，选择不同的频率进行辐射特性分析，分别在5，7和9 GHz仿真和测量辐射特性，用红色线表示仿真结果，用蓝色线表示测量结果。可以观察到这种紧凑的MIMO天线具有极化多样性，从而达到高隔离的目的[9]。

天线的仿真和测量隔离度如图8所示。从图可以看出，在3.0～10 GHz带宽内隔离度大于15 dB[10]。

包络相关系数（ECC）是超宽带天线分析的重要参数。ECC是表征天线信号衰落能力的。图9所示为仿真和测量的包络相关系数结果。从图中可以看出，ECC的测量值小于0.01。相关性可以用下面的计算公式表示[9]：

图7 辐射特性Fig.7 Radiation characteristics

图8 隔离度和频率关系曲线Fig.8 Curves of isolation and frequency

图9 ECC和频率的关系曲线Fig.9 Curves of ECC and frequency

3 结论

设计了一种紧凑的双极化超宽带MIMO天线，其具有较高的隔离度，通过在宽槽内加上两个反射条，并引入L型散热器，使天线的性能改善，测量的隔离度大于15 dB。ECC测量结果在可接受的范围内，天线可以应用于超宽带无线通信系统中。

参考文献：

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[8]QUINTER O, ZURCHER G. System fidelity factor:a new method for comparing UWB antennas [J]. IEEE Trans Antennas Propag, 2011, 59(7): 2502-2512.

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[10]ARYA A K, AZIZ R S, PARK S O. Planar ultra-wideband printed wide-slot antenna using fork-like tuning stub [J].Electron Lett, 2015, 51(7): 550-551.