用于WLAN的高隔离度双频MIMO天线

张宝军， 郭 涛， 陈 曦， 苏展飞

(西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安710121)

0 引 言

随着无线通信领域发展迅速，人们在享受无线技术带来的便捷的同时，也对数据传输效率、信道带宽、容量、干扰度等通信指标提出了更高的需求。多输入多输出(multiple-input multiple-output，MIMO)技术作为新一代通信领域的关键技术之一，其系统具有空间分集、 空间复用和波束赋用等功能, 提高了信号传输质量与频谱利用率，被公认为能够满足当前通信需求最有前景的技术之一[1]。同时无线局域网(wireless local area network，WLAN)是目前最常见的无线通信技术，其高性能、安全与便捷性得到了人们的广泛应用，并深刻地改变了人们的生活[2]。因此，对于研究用于WLAN技术的MIMO天线具有重要意义。

在MIMO系统中为了获得良好的性能，在发射端与接收端的天线应避免相关性，即天线单元间应具有低耦合性[3]。因此，研究MIMO天线的重点之一应是如何降低紧凑天线单元间的耦合性，提高隔离度。近几年来，已有许多方法被用于提高天线隔离度。例如地板缝隙结构[4～6]通过抑制地板表面波带来的互耦提高了天线隔离度，其结构简单易制作，满足天线的小型化设计要求，具有适用性；内置解耦网络[7]也可用于降低天线单元间耦合度，但其需根据天线频段数设置多频去耦网络，这种结构设计复杂，难以加工，不利于控制天线加工成本；寄生单元结构[8,9]利用相位相反电流的抵消作用减小天线间的耦合程度，其适用性强，去耦效果较好，且制作成本低；地板枝节结构[10]与寄生单元结构原理相同，但其能够产生额外的耦合路径，进一步降低天线间的互耦作用；EBG结构[11]是一种循环排列结构，其在一定频带内具有带阻特性，能够有效抑制地板上电流从激励端流向非激励端，从而提高天线的隔离度，但其结构复杂，难以应用于小型化天线的设计；中和线解耦技术[12,13]通过在合适的位置引入一条金属微带线将两天线连接起来，在天线单元间引入与激励天线产生的耦合电流幅度相等，相位相反的电流，达到去耦的效果，其不会增加天线原有的尺寸，且结构简易，占地面积小。

同时，具有多频段、宽频带、小型化及高增益的天线广泛应用于WLAN频段。针对当前WLAN天线的普遍适用性与MIMO天线高隔离度的设计趋势，以及现有设计中存在的不足，本文设计了一种以FR4为基板的双频MIMO天线，工作频段覆盖WLAN 2.4 GHz和5 GHz两个工作频段，添加的Y型枝节与L型地板缝隙在低频段与高频段分别提高了天线的隔离度。对于常规MIMO天线，要求隔离度至少高于15 dB，所设计MIMO天线在工作频带内隔离度大于22 dB，拥有优异的去耦性能，且天线同时具有结构紧凑，阻抗匹配，全向辐射性能较好等特点。

1 天线结构设计

1.1 天线整体

本文所设计的天线如图1所示，该天线采用FR4为介质基板，基板厚度为0.8 mm,相对介电常数为4.4，损耗正切角为0.02。天线单元采用微带线馈电，整体天线尺寸为50 mm×26 mm。介质基板的正面部分为直接印刷在介质板上的L型单极子天线，其背面部分为金属地板。其中，长L型辐射枝节直接与地板相连，两天线单元间通过对称的形式进行进行摆放，且在天线单元间加载了一个Y型枝节与L型地板缝隙结构。

图1 天线整体结构示意

1.2 MIMO天线设计过程

根据天线波长的计算公式

λ0=c/f

(1)

λg=λ0/εr

(2)

λ=λg/4

(3)

式中λ0为真空中对应波长；c为光在真空中的速度;f为天线频率；λg为介质中对应波长；εr为介质板相对介电常数；λ为介质中单极子天线对应波长。根据上述式(1)～式(3)即可算得在介质板中L型单极子天线谐振的初始长度，以此实现WLAN 5 GHz频段的谐振。通过在介质基板背面部分的金属地板上加载L型辐射枝节，通过耦合馈电的方式实现WLAN 2.4 GHz频段的谐振，使其具有双频特性。

为了提高天线的隔离度，在介质基板的背板部分添加了Y型枝节，用于产生额外的耦合路径。其激励端天线单元对Y型枝节和非激励端天线产生耦合作用，同时Y型枝节以及非激励端天线单元对激励端天线也产生耦合作用。通过这种相互作用的抵消，提高了天线的隔离度。

在Y型枝节的下方进行了地板开L型缝隙，通过L型缝隙改变地板传输线的电流分布，抑制了地板表面波带来的互耦，从而进一步提高天线隔离度。解耦部分呈对称分布，同时在地板与L型辐射枝节连接处两端添加了L型地板槽，槽的加载改变了天线的电流流动路径，以此来获得更好的阻抗匹配。MIMO天线设计过程如图2所示。

图2 MIMO天线设计过程

图3展示了有无隔离结构的S21仿真对比图。从图中可以看出，加入了去耦结构后，在2.37～2.5 GHz频段处，S21由整体频段内大于-22 dB变为了小于-30.5 dB，在4.93～6.09 GHz频段处，S21由整体频段内大于-20 dB变为了小于-22 dB。由此可见，具有隔离结构的天线隔离度改善显著，表明了Y型枝节和与其相邻的L型地板缝隙两种去耦结构的去耦作用，具有该去耦结构的天线可以满足设计要求。

图3 有无隔离结构的隔离度对比

为了进一步验证隔离结构的有效性，给出天线在2.4 GHz与5.5 GHz频率处天线工作时有无去耦结构的电流分布图对比。如图4所示，其中左端口为激励端口。在未添加去耦结构时，非激励端天线单元存在着大量耦合电流，天线单元间存在着十分强烈的耦合，严重影响天线的工作状态。虽然L型辐射枝节的存在对L型单极子的表面电流有一定的削弱作用，但效果不明显。当添加去耦结构后，耦合电流主要集中于Y型枝节，非激励端天线单元表面电流减弱明显。同时L型地板缝隙的出现改变了之前激励端天线的表面电流分布，使得耦合电流主要集中于Y型枝节与L型地板缝隙附近，进一步减弱了非激励端天线的表面电流。两种解耦结构的存在提高了天线单元间的隔离度，保证了天线工作的性能。

图4 有无隔离结构时天线电流分布

2 参数分析与优化

为使所设计MIMO天线性能达到最佳状态，本文在天线设计过程中通过ANSOFT HFSS 13.0对天线结构及参数进行了仿真优化分析。优化过程中采用对一个参数优化，其余参数保持不变的方式，优化结果如图5所示。

从图5(a)，(b)可以看出，参数L1，L7主要对天线的谐振频率产生了影响，当L1增加时，低频处的谐振频率变化不明显，高频处谐振频率随L1的增加而逐渐左移。当L7增加时，高频处的谐振频率无明显变化，低频处的谐振频率随L7长度增加而逐渐左移，且高频处天线的S11随L7长度的减小而减小，说明L7的减小可以改善天线在高频处的阻抗匹配。

Y型枝节主要作用为去耦作用，因此，对于Y型枝节的参数分析与优化也尤为重要。在Y型枝节中，LY1为Y型枝节中心与其枝节一边中点连线所构成直角三角形的直角边长，LY2为另其一直角边长，LY3为Y型枝节中心与地板金属之间的距离。通过改变LY2与LY1的长度来改变Y型枝节的角度与长度，以此用来分析Y型枝节对天线S参数的影响。以LY2为例，如图5(c)，当LY2改变时，天线的高频谐振频率与低频谐振频率均未受明显影响，但高低频处的S11值随着LY2的增加而先降低后又增加，从曲线图中可以判断，Y型去耦结构并未对天线的谐振频段造成明显改变。由图5(d)可得，随着LY2的增大，天线的S21值在低频处先变小后变大，在高频处逐渐变大，说明天线随着LY2值的改变其隔离性能得到了改善，尤其在低频处改善较明显。

图5(e)，(f)为L型地板缝隙长度L8对天线S参数的影响，从图5(e)可以看出，随着L8的变化，天线的高低频谐振点与S11均未发生明显变化，说明L型地板缝隙去耦结构的加入对天线的谐振点与阻抗匹配影响较小。在图5(f)中，随着L8的增加，天线工作频段内S21先减小后增大，整体呈减小趋势，说明其对天线的隔离性能起到改善作用，且在天线的高频段部分改善较为明显。

图5 天线参数优化曲线

通过对其他参数的仿真结果优化，天线的最终参数尺寸如表1所示，其单位为mm。

表1 天线尺寸 mm

图6为经过参数优化后天线的S参数随着频率变化曲线图。从图中可以看出，当S11≤-10 dB时，天线的工作带宽分别为0.13 GHz(2.37～2.5 GHz)与1.16 GHz(4.93～6.09 GHz)，相对带宽分别为5.3 %和21.1 %。所设计MIMO天线工作频段覆盖了IEEE 802.11 b/g/n频带(2.4～2.48 GHz)及IEEE 802.16频带(5.15～5.85 GHz)，满足WLAN工作要求。在其工作频带范围内，隔离度均在22 dB以上，最高可达50 dB，整体隔离特性较好。

图6 MIMO天线S参数

3 结果分析

3.1 辐射方向图

图7(a)～(c)给出了天线在2.4，5.3，5.8 GHz频率的二维辐射方向图，每个图中包含了E面与H面。从图7(a)中可以看出，天线在2.4 GHz处H面整体增益均在1 dBi以上，且E面与H面都具有趋于全向辐射的辐射方向图，有利于天线单元接收或发射各个方向的电磁信号。由图7(b)可以看出，在5.3 GHz处仿真计算的峰值增益为7.9 dBi，虽在个别方向效果有所恶化，但总体方向性仍属可接受状态。图7(c)中天线在5.8 GHz频率下整体方向性良好，其峰值增益为7.4 dBi。总体来说，天线在各个频点辐射分布较良好，效率较高，所设计MIMO天线适合当前的便携式无线路由器。

图7 天线二维辐射方向图

3.2 包络相关系数曲线图

包络相关系数(envelope correlation coefficient，ECC)是用来衡量天线分集性能的参数，是用来确保MIMO通信中信道相关性的关键。在具有收发两端的多天线构成信道中，信道间可能是相关，也有可能是不相关的，信道间的相关性优劣严重影响着MIMO天线在系统性能的好坏。ECC值越低说明MIMO系统信道间的相关性越低，系统分集性能越好。在各向同性的传播环境中，包络相关系数通常利用S参数或辐射方向图计算，但辐射方向图的计算方式较为复杂，因此采用最常用的S参数来计算其值。其公式为

(4)

图8为通过式(4)计算所得的ECC曲线，从图中可以看出，所设计的MIMO天线在其工作频段内ECC值均远小于0.01，说明所设计天线具有很好的分集增益。由于引入了解耦结构，提高了天线各工作频段尤其是低频段的隔离度，得到了很好的分集性能。

图8 天线ECC曲线

3.3 天线增益曲线图

图9为天线在某空间定点处仿真计算所得的增益随频率变化图。从图中可以看出，天线在其工作频段内增益分别为2.62～2.73dBi(2.37～2.5GHz)与4.18～6.41dBi(4.93～6.09GHz)，天线辐射性能较好。

图9 天线增益曲线

为了更好地体现本文所设计MIMO天线的性能，选取近几年来参考文献中的天线进行比对。分别从天线尺寸、有效带宽、工作频段、隔离度等几个方面进行比较，如表2所示。从表中可以看出，设计的天线能够在结构小且紧凑的空间内分别在低频与高频工作段内实现较高的隔离度，其阻抗匹配特性以及辐射特性良好，天线整体性能较好。

表2 天线性能参数对比

4 结 论

本文设计了用于WLAN频段的双频MIMO天线。通过L型单极子天线与介质背板长L型辐射枝节的耦合馈电实现了天线双频特性，通过加载Y型枝节与L型地板缝隙两种去耦结构分别提高了天线在低频与高频处的隔离度。仿真结果表明：原天线在工作频段内隔离度小于20 dB，再加入去耦结构后获得了高于22 dB的高隔离度，最高可达50 dB左右，隔离性能较好，且天线结构紧凑尺寸小，其工作频段能够完全覆盖WLAN 2.4 GHz与5 GHz工作频段，阻抗匹配及全向辐射特性良好，分集增益较高，其在WLAN应用中具有广泛前景。