宽频带双极化MIMO天线设计

刘永利，徐兴贵，哈 达

（武警警官学院 四川 成都 610213）

1 引言

对于多天线的隔离手段一直是国内外学者专家的研究热点，其中文献[1]中就提出了以优化单元间的间隔为主要手段来提高隔离度，但是这种方法调整复杂并且以牺牲天线有限空间为代价。文献[2]和[3]中则是采用改变接地面结构方法来提高隔离度，具体是在接地面开槽和增加延伸的枝节，为了可以实现提高多频带和宽频带MIMO天线的隔离度，在文献[4]和[5]中采用的是一种电磁带隙结构来提高隔离，这种方法提高隔离的同时会增加天线的尺寸和复杂度，不利于天线的小型化设计。依据目前多种极化隔离的天线大体可分为这么几种：立体极化MIMO天线、多层极化MIMO天线、单层极化MIMO天线。为了实现宽带化的要求，本文就以圆形的宽带结构为基础模型，结合天线极化分集的技术设计一款宽带的极化MIMO天线。

2 宽带极化MIMO天线的设计

本文以圆形结构为基础模型，对其组阵然后设计出宽带极化的MIMO天线，这款天线的介质材料选取常见的FR4型介质板，其介电常数为4.4，板材的厚度为1.6mm，尺寸为30mm×40mm。首先对圆形的单极子进行设计与研究。

通过建模和初步的仿真，得出单极子天线的回波损耗S11曲线如图1所示。

图1 圆形单极子回波损耗的S11曲线仿真图

从上图我们可以看出天线的回波损耗S11曲线在-10dB以下的工作频段为2.1GHz～5.2GHz具有良好的宽带性能。

依据上面的单极子天线模型，将其进行组阵设计，其组阵的结构如图2所示。

图2 简单组阵后的天线结构图

简单组装并对两个单极子间参数a和b进行优化以便得到最佳的参数性能得到当参数a=9mm时天线的参数性能比较优良。

经过这两个参数的优化最终设计出一款垂直极化的宽带MIMO终端天线。该款天线的两个单极子分居于介质板的两个面上并且都采用共面波导馈电结构。

可知天线的测量值带宽相比于仿真有200MHz的展宽，而隔离度优于-19dB与仿真的相差2dB，隔离性能略差一些，但是也已经符合了设计的标准实现了良好的隔离性能。

3 天线的对比讨论

3.1 平行结构的圆形MIMO天线

本文为了形成鲜明的对比，得出垂直极化能够提高天线的隔离度，本文以上面所设计的那一款天线为原形，基本尺寸不变，只是对两个天线单元的位置进行重新的摆设，首先使其两个圆形的天线单元，位于介质板的同一个面上而且这两个天线单元的位置为平行放置，我们在软件中构造出这款天线的三维立体模型仿真，得出这两款作对比天线的参数S11、S22和S12的曲线仿真图。这款极子平行放置的天线隔离度曲线S12在天线的工作频段内只能优于-15dB，而其天线的回波损耗S22曲线，在-10dB以下的频段非常窄，表明其单元的辐射性能不好。通过以上的结果对比分析，我们得出垂直极化可以提高天线的隔离性能。

3.2 两个单元位于同一个面的MIMO天线

上面我们已经对垂直极化的隔离性能进行了验证，在这里我们就验证一下，MIMO天线中天线单元放置在介质板两个面上能够提高天线的隔离性能。我们还是在原天线的基础上，尺寸不作改动，只改变了两天线单元在介质板上的摆放位置，我们设计了一款两个单元位于同一个面的MIMO天线。

通过建模仿真，我们得出这两款对比天线的S11、S22和S12参数曲线仿真结果如图3所示。

图3 两个单元位于同一个面的MIMO天线的S11、S22和S12的曲线仿真图

4 结语

本款天线的结构尺寸为30mm×40mm，主要工作在IEEE802.11a与HIPERLAN/2频段(5～6GHz)频段内，其工作带宽能够达到2GHz，在其工作带宽内实现了良好的隔离性能，符合了天线设计小型化宽带化的要求。对比讨论得知垂直极化是一种有效提高隔离的方法，并且天线的单元分居于介质板不同的两个面上时也能一定程度上提高隔离性能。

[1] Hui Li,JiangXiong,and Sailing He,A Compact Planar MIMO Antenna System of Four Elements With Similar Radiation Characteristics and Isolation Structure[J],vol.8,no.2,pp.1107-1110,2009.

[2] Y.Luo,Q.Chu,andL.Zhu.Alow-profilewide-beamwidth circularly-polarized antenna via two pair of parallel dipoles in a square contour[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,Vol.63,no.3,pp.931-936,Mar. 2015.

[3] Jian-Feng Li,Qing-Xin Chu and Tian-Gui Huang,A Compact Wideband MIMO Antenna With Two Novel Bent Slits[J] IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION,VO L.60,NO.2,FEBRUARY 2012.

[4] C.Deng,Y.Li,Z.Zhang,and Z.Feng.A wideband sequentialphase fed circularly polarized patch array[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.62,no.7,pp.3890-3893,Jul.2014.

[5]郭腾.MIMO终端天线的宽频带/多频段与低互耦设计[D],云南大学硕士学位论文,Jau 2012.