基于中和线解耦的小型化MIMO天线设计

韩国瑞，吴晓丽，宋睿涛，裴立力

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

0 引 言

多输入多输出(MIMO)天线技术是新一代无线通信领域的关键技术之一，其系统可实现空间分集、空间复用和波束赋用等性能，进而提高信号传输质量，提高频谱利用率.但是在尺寸受限的移动设备中放置多根天线，天线数目的增加和天线单元间的间距减小会使天线单元间发生强烈的互耦.互耦的存在一方面会恶化天线的辐射效率，另一方面会影响天线的阻抗匹配、辐射方向图，增大天线间的相关性，使无线通信系统得不到预期的工作效果.因此，提高天线隔离度的解耦技术是多天线的核心问题.

近年来，国内外大量学者将研究重心放在降低MIMO天线的互耦.多天线单元间的互耦是制约其应用的主要因素，天线设计者主要考虑天线单元的尺寸、数目、放置的位置对互耦的影响.MIMO 天线间的互耦主要是受地板表面电流的影响而产生.文献[1]提出了一种双频带隔离增强技术，使用紧凑平面螺旋线(PSL)结构抑制电流从天线的一个端口流向天线的另一个端口；文献[2]提出的MIMO天线系统由4个正交放置的单极倒L形辐射单元组成，通过中和线解决紧密堆积的天线之间的相互耦合，天线之间的隔离度从-4.5 dB 提高到-15 dB；文献[3]在天线接地板上嵌入一个简单的3级阶梯槽，在馈电线中切割两个矩形槽，扩大了阻抗带宽，实现了3.1～12 GHz超宽带；文献[4]提出一种U型宽带MIMO天线，采用引入天线接地板缝隙的方法在 2.4～6.35 GHz工作频带内的MIMO天线隔离度能够达到20 dB，但是在天线接地板上添加地缝结构，恶化了天线的阻抗匹配；文献[5]中提出的超宽带MIMO天线引入了T型枝节结构，该结构耦合到天线单元 2的电流与天线单元1耦合到天线单元2的电流相位相反，相互抵消，减弱了彼此单元间的干扰性，解耦枝节如果吸收一定的辐射能量，可能降低天线的辐射效率；文献[6]利用双倒E型枝节对工作在2.45 GHz/5.2 GHz的两单元单极子 MIMO 天线进行解耦，天线双端口之间的隔离度均小于-30 dB；文献[7]设计了一款 MIMO 天线，在PCB板的两个相对角上的单极子天线之间利用中和线加载技术来增大天线的隔离度，天线之间的隔离度均低于约-19 dB.

本文提出了一个具有2个端口的双频带MIMO天线，单元天线采用印刷单极的形式，工作频段覆盖WLAN(2.4～2.48 GHz，5.15～5.35 GHz，5.725～5.825 GHz)频带.天线低频谐振单元为倒F天线，通过增加短截线，以产生高频谐振，实现双频工作.通过在天线接地板中间加一个悬置的中和线来降低天线之间的互相耦合，使天线单元之间的相互影响得到了很好地抑制，从而提高天线单元间的隔离度.

1 天线的设计

本文设计的微带双频单极子天线的结构模型如图1所示.天线单元印制在FR4介质板材质上，其相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，长度L=50 mm，宽度W=26 mm,介质层厚度h=0.8 mm.底层金属是单极子天线的部分接地板，长度与介质板的长度相同，宽度为w0=12 mm.低频谐振单元为倒F天线(PIFA：Planar Inverted-F Antenna)形式，通过增加短截线来产生高频谐振，实现双频工作.顶层金属为倒L天线形式为微带线，采用耦合馈电的方式激励激励.为了实现多输入多输出MIMO通信，第2个天线单元对称分布在另外一侧，形成双天线布局，两个单元天线端口之间的距离为22.5 mm.

表1 天线各部分的尺寸

图1 二单元MIMO天线结构图

运用HFSS仿真软件求解分析，我们可以得到天线S参数的仿真结果，如图2所示.从天线的散射参数可以看出，两个工作频带范围分别为2.42～2.53 GHz和4.77～6.10 GHz，相对带宽分别达到了4.4%和24%.当天线工作在2.42～2.53 GHz时，S21<-16.8 dB，当天线工作在4.77～6.10 GHz时，S21可达到-19.5 dB.直接设置时，两个天线之间的隔离度没有达到理想情况，强耦合将导致 MIMO 系统的相关性比较高，因此需要解耦措施提高天线的隔离度.

图2 二单元天线的S11和S21参数

2 天线的解耦以及仿真分析

天线阵列中的互耦可以定义为从辐射元件之一到附近的其他辐射元件的能量传递,基本上两个天线彼此距离越近，相互耦合越高.一个天线部分能量耦合到达另一个天线的端口而不是被辐射，导致天线辐射效率降低.通过在天线单元间连接一条或几条直的或者弯折的微带线进行解耦的方法叫做电流中和线解耦法.利用中和线增加一条电流路径，如果天线直接耦合电流和中和线的电流幅度相同，相位相差180°，就可以相互抵消，从而提高端口之间的隔离度.本文通过在两个单元天线之间增加一个悬置的中和线，长度lf=12 mm，宽度wf=0.3 mm，用于改善两个单元天线的隔离度，如图3所示.

图4 是天线结构加了中和线的仿真S参数，对比图2 与图4 可以看出，加了中和线以后，低频段的谐振频率从2.47 GHz移动到2.45 GHz，高频段的谐振频率从5.33 GHz移动到5.2 GHz，频率范围分别为2.39～2.53 GHz和4.57～6.02 GHz，覆盖了无线局域网WLAN(2.4～2.484 GHz,5.15～5.25 GHz,5.725～5.825 GHz)频带，相对带宽分别达到了5.7%和27.8%，很好地满足了移动通信设备中WLAN的频段要求.与图2 未加中和线的天线的S参数对比，天线在低频的隔离度由之前的16.8 dB优化到19.3 dB，提高了约2.5 dB，高频的隔离度由之前的19.5 dB提高到24.6 dB，提高了约5.1 dB，在整个 WLAN (2.45 GHz/5.2 GHz)工作频段，天线双端口之间的隔离度均小于-19 dB.

图4 加中和线的二单元天线S11和S21参数

图5 是MIMO天线的表面电流分布，天线左边端口1激励，右边端口2接匹配负载.当天线工作在2.45 GHz时，对比图5(a)与图5(b)可知，加了中和线以后部分电流流向中和线，流向端口2的电流减弱；当天线工作在5.2 GHz时，对比图5(c)与图5(d)可知，加了中和线以后，端口2的电流基本没有，所以中和线改善了双端口的耦合，减弱了两个天线单元之间的相关性.

图5 MIMO天线的表面电流分布

图6 展示了天线在2.45 GHz和5.2 GHz时的二维辐射方向图，从图6(a)可以看出，在低频2.45 GHz 时，天线在E面方向图近似为“8”字形，H面的主极化基本为圆形，呈现全向辐射特性，交叉极化很小，增益达到了3.0 dBi.从图6(b) 可以看出，天线在高频5.2 GHz时，主极化方向图近似椭圆，基本呈现全向辐射特性，最大增益约为4.37 dBi.虽然天线在高频 5.2 GHz的辐射方向图没有在低频时的方向图好，天线由于弯折，交叉极化变大，但是仍然趋近于传统的辐射方向图，所设计的天线具有很好的稳定性.

图6 天线二维辐射方向图

3 结 论

本文设计了一种利用中和线技术来提高隔离度的双频带MIMO天线，增加了一条悬置的中和线来改善隔离度，仿真结果显示，当S11<-10 dB时，两个频段内的带宽范围分别为2.39～2.53 GHz 和4.57～6.09 GHz，中心频率为2.45 G Hz/5.2 GHz，天线在低频段内，S21<-19.3 dB；高频段内，S21<-24.6 dB.利用中和线改善了的天线端口之间的隔离度，很好地满足了无线局域网WLAN的频段要求.