一种高隔离度的微带双频MIMO天线设计

陈晓锋，周殊伦，文蓓怡，曹 捷，韩如冰

(1.上海无线电设备研究所，上海 201109；2.上海航天电子技术研究所，上海 201109)

0 引言

天线作为无线通信系统射频前端的重要组件，其性能对系统通信能力有决定性的影响。随着现代通信技术的进步，天线的设计面临着越来越严峻的挑战。首先，通信系统的集成度日益提高，天线可以利用的空间被不断压缩；其次，为了满足多频段、高增益、高辐射效率的通信需求，天线个数不断增多，导致不同天线之间的互耦增大，天线方向图恶化，信道容量降低。将MIMO天线应用于无线通信系统，通过多个天线实现多发多收，可以在不增加频谱资源和天线发射功率的前提下，成倍提高系统信道容量，具有明显的优势。

微带天线具有结构简单、剖面低、尺寸小、电性能多样化等优点，而且成本低、易于集成，适合批量生产。随着微带技术的日益成熟及现代通信中频段的日益拥挤，人们逐渐把研究重点转向频率较高的厘米波、毫米波甚至太赫兹频段。将微带MIMO天线应用于通信设备中，是未来实现天线小型化、多功能的一个可行方案。

近年来，国内外大量学者将MIMO天线领域的研究重心放在了降低天线单元之间的互耦上。MIMO天线间的互耦主要是受地板表面电流的影响，降低MIMO天线单元间互耦的方法很多。文献[1]引入紧凑平面螺旋线，文献[2]和文献[3]采用中和线的方式，文献[4]在超宽带MIMO天线间引入T型枝节结构，文献[5]引入双倒E型枝节结构，文献[6]采用在地板上添加地缝的方式。另一个重点研究方向为多频MIMO天线。通过单个天线或天线阵就可实现天线在多个频段工作，可代替传统的单天线单频工作模式。文献[7]～文献[10]对双频或者多频MIMO天线进行了详细设计。

1 天线设计

本文设计了一款双频带MIMO天线。该天线单元结构简单，由正面弯折的单极子和背面产生低频谐振的弯折金属线组成，利用将单极子天线弯折的方法节约了空间。在5 GHz高频段，正面的单极子天线为主要辐射体，背面的金属线可以看作是MIMO单元之间的隔离结构。在2.4 GHz低频段，背面的金属线通过正面单极子天线的耦合馈电来辐射能量，此时可以将双频带的降耦问题简化成低频段的降耦问题，降低了MIMO天线的设计难度。

1.1 双频MIMO天线设计

本文所设计的天线基板材料均为FR4，其相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.01，厚度为0.8 mm，介质板为边长20 mm的正方形。高频段5 GHz天线单元为弯折型单极子，其结构示意图见图1。弯折型单极子由传统的直线单极子演变而来，其有效的电长度约为1/4工作波长。相比于直线单极子，此结构不仅降低了天线高度、节省了空间，而且能使天线能量更好地耦合到背面的低频辐射结构上。使用全波电磁仿真软件CST对天线参数进行优化，确定天线结构参数为:L1=10.5 mm，L2=12 mm，L3=5 mm，L4=9 mm，L5=5 mm，L6=8 mm，L7=3 mm，W1=1.5 mm，W2=1 mm。

图1 单频天线结构示意图

在单频天线单元反面加入弯折型枝节，通过正面单极子耦合馈电，实现在2.4 GHz的信号辐射，即构成双频天线，其结构示意图见图2。经过仿真优化后得到弯折型枝节的结构尺寸:L8=10 mm，L9=13 mm，L10=3 mm，W3=1 mm。

图2 双频天线结构示意图

将两个相同的双频天线集成为一个双单元MIMO天线，如图3所示。反面的弯折型金属不仅是2.4 GHz频段的辐射体，同样也是天线在其他频段的隔离结构，可以有效地减弱由近场辐射电场引起的互耦。

图3 MIMO天线结构示意图

1.2 开槽降耦设计

MIMO天线反面的弯折型金属结构可以隔离高频段的两个端口互耦，但是不能隔离低频段的互耦，天线隔离度无法满足使用要求。对MIMO天线电流分布进行分析，电流分布如图4所示。在2.4 GHz状态下，当右侧端口1馈电时，电流通过地板流至左侧背面弯折型金属上，使左侧弯折金属也产生辐射，同时也有电流流至左侧端口2。

图4 MIMO天线电流分布图

利用在地板上开槽的方法来阻断电流通过地板，天线结构如图5所示。其中，L11=2 mm，L12=3 mm。

图5 增加开槽MIMO天线结构图

增加开槽后，天线的电流分布如图6所示。通过地板从端口1流至端口2的电流有所减小，但是仍会通过两个天线单元背面的弯折型金属产生互相耦合，隔离度仍不满足设计需求。

图6 增加开槽MIMO天线电流分布图

1.3 悬置金属线降耦设计

在两条弯折金属之间添加一条悬置金属线，引入新的耦合去抵消初始耦合，如图7所示。其中，L13=6 mm，L14=5 mm，W4=1 mm。与 传统的中和线不同，该天线中的金属线并没有直接连接天线单元，且与天线的馈电线垂直，对天线本身的匹配影响较小。

图7 再增加悬置金属线MIMO天线结构图

增加悬置金属线后的MIMO天线电流分布见图8。可以发现引入反面的悬置金属线后，两个端口之间的互耦明显地减少了。

图8 再增加悬置金属线MIMO天线2.4 GHz电流分布图

2 仿真结果

2.1 回波损耗

单频天线和双频天线的输入回波损耗仿真结果如图9所示。没有背面耦合结构的单频天线只在(4.81～5.30)GHz(相对带宽9.8%)频带内实现了阻抗匹配，中心频率为5 GHz。而在背面地板上加入弯折型辐射结构的双频天线，其弯折型辐射结构从正面单极子处耦合到能量并产生辐射，天线在(2.37～2.43)GHz(相对带宽2.5%)频带内也实现了阻抗匹配，中心频率为2.4 GHz。

图9 天线输入回波损耗S11仿真结果

2.2 隔离度

本文设计的MIMO天线的S参数(S11、S12)仿真结果如图10～图12所示。由图10可知，未采取降耦措施的MIMO天线的隔离度S12在5 GHz频段范围内小于-17.5 dB，在2.4 GHz频段范围内仅不大于-7.3 dB，2.4 GHz频段内性能不满足工作要求。而图11中开槽后的MIMO天线的低频隔离度仅仅从-7.3 dB增大到了-10.5 dB左右。图12中悬置金属线后MIMO天线的低频隔离度增大到了-20 dB左右，同时也没有对S11产生大的影响。因此，采用开槽和悬置金属线来减小互耦的方法是有效的。

图10 未采取降耦措施的MIMO天线S参数仿真结果

图11 增加开槽的MIMO天线S参数仿真结果

图12 再增加悬置金属线的MIMO天线S参数仿真结果

2.3 方向图

图13为采取降耦措施后MIMO天线方向图的仿真结果。可知，天线在2.4 GHz和5 GHz处的最大增益分别为2.04 dBi和2.54 d Bi，且不圆度均小于3 dB，同时yoz面的交叉极化也较小。

图13 采取降耦措施后MIMO天线方向图

3 结论

本文设计了一款工作在2.4 GHz和5 GHz频段的高隔离度双频带MIMO天线。天线由两个相同的单元组成，主辐射体为弯折的单极子天线，主要产生高频辐射，反面引入的弯折金属线通过耦合能量产生低频辐射。同时利用在地板开槽和背面悬置金属线的方法，成功增大了MIMO天线单元之间的隔离度。仿真结果表明，该天线工作带宽、隔离度、增益、不圆度等参数均满足设计要求。本文提出的天线单元间降耦方法对MIMO天线的设计具有一定的参考意义。