一种高隔离度超宽带天线的设计

余善好

（安徽三联学院，安徽 合肥 230601）

0 引言

随着无线通信系统的发展，人们对移动通信的技术需求逐渐从稳定的网络覆盖升级到全场景的高速无缝连接，而保障高可靠、低时延、大容量无线通信的一项关键技术就是多天线系统。MIMO天线作为多天线系统的一类，满足应用需求，可以有效地解决天线的多径衰落问题，拓宽信道容量。［1］但是不同天线单元之间存在不同程度的相互耦合，如何降低天线单元之间的互耦，提高隔离度，是MIMO天线需要解决的一个重要问题［2］。应用于3.1～10.6 GHz的超宽带（UWB）频段范围的天线具有信道容量大、保密性能高等优点，但隔离度同样是其研究的重点之一。

1 天线设计过程

1.1 天线结构

本文设计的超宽带MIMO天线的结构如图1所示。由图1 可以看到，天线的两个辐射表面是相同的，具有相同的馈线以及接地地面。该天线印刷在相对介电常数为4.4的FR4介质基板上。

图1 天线结构图

利用电磁仿真软件HFSS 对天线参数进行优化设计，最终所得到的天线尺寸为30 mm×50 mm×1.6 mm。表1 给出了最终优化后UWB-MIMO 天线的物理尺寸。

表1 天线物理尺寸 单位：mm

1.2 天线隔离设计

单极子天线具有尺寸小、频带宽和剖面低等优点，被广泛应用于UWB 天线的设计中。［3］其尺寸一般利用等效圆柱法来进行估算。本文以UWB 单极子天线为原型来完成陷波UWB天线的设计。

如图2 所示，单极子天线等效为具有相同表面积的圆柱形单极子天线，根据最小辐射频率fL计算圆柱形天线尺寸，利用尺寸变换因子和表面积相等的条件来计算矩形单极子天线的尺寸。下面是估算天线尺寸的经验公式（频率的单位为GHz，天线尺寸均为mm）：

图2 单极子天线和等效圆柱体

考虑到天线与地板之间间距的影响，对式（2）修正得到：

根据以上公式可知，辐射贴片规则结构的天线阻抗带宽窄不一定能满足宽频带要求，特别是超宽带天线。可以通过改变地板和辐射贴片的形状，获得需要的性能参数。将单极子天线通过HFSS软件进行优化，得到了天线正面为正方形辐射贴片、天线背面为半椭圆形接地板即Ant-1，将其印制在大小为30 mm×20 mm，厚度为1.6 mm，相对介电常数为4.4的FR4基板上。

从图3 中的（b）图可以发现变形后的单极子天线在UWB 频带内基本可以满足性能要求。想要获得更好的性能参数，需要继续优化其结构。剪去天线Ant-1 辐射贴片两角，并且剪除其上部呈V 字形得到天线2，即Ant-2，该天线的设计结构有助于改善阻抗匹配，既可以获得宽频带，又可实现天线的小型化，如图4所示。

图3 变形单极子天线及其电压回波损耗

图4 Ant-2天线及其电压回波损耗

由于天线的性能参数受到天线尺寸的影响，选取Ant-2天线的几个尺寸作为参数，利用HFSS进行参数分析。

（1）L3的取值

图5 中可以看出在低频和中频段L3 对天线的性能影响不大，在高频段的9.8 GHz 附近产生一个谐振点，并且当L3=8.4 mm时，S11的值超过-45 dB，综合以上两点L3=8.4 mm。

图5 L3取值对电压回波损耗的影响

（2）L4的取值

图6 中，可以发现天线的性能受L4 的影响较大，L4 取12 mm 时在低频段电压回波损耗比较好，可以达到-25 dB左右，L4取13 mm时在低频段不如取12 mm时的性能，但是在高频段L4取13 mm时天线性能更加符合要求。当取14 mm或15 mm时电压回波损耗高于-10 dB，不能满足超宽带天线的要求，综合以上L4取13 mm。

图6 L4取值对电压回波损耗的影响

复制Ant-2，把两个Ant-2相互成正交分布得到Ant-3。从图7 可以看出天线在（3.1～10.6 GHz）UWB 带宽内，电压回波损耗低于-10 dB，并且隔离度低于-20 dB。

图7 Ant-3 及其S参数

1.3 天线陷波设计

（1）陷波原理分析

为了抑制超宽带内的窄带信号，可以在特定的频段区域实现陷波功能。本设计在辐射单元附近加入C 型寄生单元，在渐变微带线右侧增加C 型寄生枝节，其总长度近似为5.5 GHz 频段对应波长的一半，使其在5.38～5.85 GHz频段形成阻带。［4］C型枝节总长度为12 mm。

（2）天线在UWB频段内参数性能

从图8（a）可以发现在低频带S11可以达到-15 dB，在中高频带S11 也都在-10 dB 以下，从图8（b）可以发现在整个超宽带工作区间天线的隔离度远低于-20 dB。其中在5.3～5.8 GHz 附近波段产生阻带，实现了陷波功能，并且在超宽带内天线的S11均小于-10 dB，并且隔离度在低频区域低于-25 dB，在中频区低于-22.5 dB，在高频区低于-25 dB。图9为Ant-4在5.5 GHz处表面电流分布图。

图8 Ant-4及其性能图

图9 Ant-4在5.5 GHz处表面电流分布图

2 天线仿真与测试结果

为了验证设计的准确性，按照商用软件HFSS优化的结果加工出天线实物，见图10，天线尺寸为30 mm×50 mm，其中（a）是正面图，（b）是背面图。

图10 天线实物图

（1）天线S参数测试结果

从图11（a）可以发现在低频带S11 可以达到-15 dB，在中高频带S11 也都在-10 dB 以下，从图11（b）可以发现在整个超宽带工作区间天线的隔离度远低于-20 dB。仿真与测试结果基本吻合。

图11 天线S参数仿真与测试结果

（2）电压驻波比

从图12可以看出，天线的电压驻波比在工作频段内除陷波区间（5.38～5.85 GHz）其值都小于2。

图12 电压驻波比

（3）包络相关系数（ECC）

天线的ECC 参数值能通过公式（4）计算，也可以在HFSS 软件里面自动生成。［5］如前文所述，MIMO 天线性能在设计时ECC 参数值要求小于0.5。天线计算的ECC 值如图13 所示。从图13中可以看出，整个频带的ECC 值均小于0.15，远小于0.5。

图13 天线包络相关系数

最后将本文设计的天线与参考文献［6-9］的天线进行比较，本文设计的天线设计做到了小型化，并且隔离度也明显要更好，S21 小于-20dB，可以达到-22.5 dB。且在超宽带内对窄带信号（5.38～5.85 GHz）具有限波特性，［10］在性能方面具有一定的优势。

表2 天线比较

3 结语

本文通过将辐射单元正交放置以及增加C型枝节来达到陷波的方法设计了一款MIMO 天线，经过仿真与实测发现该天线在3.1～10.6 GHz 的超宽带（UWB）频段范围内，天线的隔离度大于20 dB。并在超宽带内实现了在（5.38～5.85 GHz）WLAN 的上行区间的陷波功能，仿真与测试结果吻合较好。