設(shè)計(jì)了一款可以應(yīng)用于LTE2300和WiMAX3.5/5.8 GHz頻段的多輸入多輸出（MIMO）天線,其由2個(gè)相距4 mm的對(duì)稱單元組成,且每個(gè)單元由"己"和"弓"形的彎折線構(gòu)成。采用背對(duì)背布局形式的組陣方式來實(shí)現(xiàn)低頻段的高隔離度。同時(shí),為了提高中頻段和高頻段端口間的隔離,將雙中和線去耦結(jié)構(gòu)加載至天線單元兩端,并對(duì)該去耦結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。利用HFSS仿真軟件對(duì)MIMO天線的性能參數(shù)包括S參數(shù)、輻射模式、增益和包絡(luò)相關(guān)系數(shù)（ECC）等進(jìn)行研究。結(jié)果表明,在頻點(diǎn)為3.5 GHz處隔離度提高25 dB,在頻點(diǎn)為5.7 GHz處實(shí)現(xiàn)了30 dB的隔離度。此外,該天線具有全向輻射特性,在工作頻段內(nèi)具有較好的分集增益。 

【文章來源】：河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 2020,49(04)

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

MIMO天線結(jié)構(gòu)圖

為了提高天線單元高頻段之間的隔離度，同時(shí)盡量保持足夠小的天線尺寸及接地平面的完整性，模仿帶阻濾波器原理，在原單元基礎(chǔ)上引入了一個(gè)U形中和線（簡稱“NL1”）和方框形的雙中和線（簡稱“NL2”），相比于傳統(tǒng)的直線形中和線結(jié)構(gòu)，其節(jié)省了空間并且兩個(gè)中和線分別控制兩個(gè)頻率的去耦，增加了設(shè)計(jì)的過程自由度。NL1長度近似為工作在5.7 GHz時(shí)的一個(gè)波長，NL2的水平長度近似為工作在3.5 GHz時(shí)的半個(gè)波長。如此就相當(dāng)于提供了兩條耦合路徑，設(shè)想通過兩個(gè)不同長度的去耦電流路徑來減弱近場耦合產(chǎn)生的干擾電流，應(yīng)用于所提出的MIMO天線。其等效模型如圖2所示，線的長度代表其電感，線的寬度代表其電容。當(dāng)天線1被電流I激勵(lì)時(shí)，耦合電信號(hào)Ia會(huì)出現(xiàn)在天線2上。加入中和線后，其會(huì)接收到的I的分流Ib。很明顯，加入不同長度及寬度或者形狀組合會(huì)相應(yīng)的形成不同的分流Ib。因此，為了降低端口間的耦合效應(yīng)，需要引入合適的電流Ia和Ib，使其滿足以下等式：如圖3所示為所提出的MIMO天線的電流矢量分布，仿真時(shí)天線單元1饋電，而天線單元2接50Ω負(fù)載匹配。從圖2中可以得知，NL1以及NL2分別對(duì)應(yīng)于工作頻率為5.7 GHz和3.5 GHz，所引入的兩條中和線激發(fā)了相應(yīng)的諧振模式，提供了2條與原天線耦合路徑相反的耦合路徑，且耦合電流與新引入的電流確實(shí)實(shí)現(xiàn)了180°相移，這也驗(yàn)證了所提出的猜想，即中和線可視為帶阻濾波器，有效地利用了相鄰天線單元間產(chǎn)生的耦合電流�？傊�，NL2實(shí)現(xiàn)了中頻段的高隔離，NL1降低了高頻帶中2個(gè)天線單元間的耦合度，2個(gè)不同長度的去耦電流路徑可以減弱大部分近場上的耦合產(chǎn)生的干擾電流。

為了更清楚更充分地證實(shí)所提出的雙中和線結(jié)構(gòu)去耦的有效性，查看了天線在頻點(diǎn)為2.3 GHz,3.5 GHz,5.7 GHz時(shí)加入該結(jié)構(gòu)前后的電流分布對(duì)比圖，如圖4所示。從圖4b）中可以看到，在未加入雙中和線結(jié)構(gòu)的情況下，有一部分近場電流確實(shí)耦合到了相鄰的天線單元中，此時(shí)單元間的耦合確實(shí)以空間波的形式存在。但是在加入去耦結(jié)構(gòu)后，耦合電流則主要集中在方框形的感應(yīng)線上，可驗(yàn)證此時(shí)NL2確實(shí)是處于諧振狀態(tài)，盡管兩個(gè)輻射單元相距很近僅為4 mm，但是天線單元2中的耦合電流得到了明顯的減弱，大大提高了中頻段的隔離度。同樣采取隔離措施后如圖4b）所示，兩個(gè)“弓”形分支間的耦合電流明顯減小，此時(shí)NL1正好是處于諧振狀態(tài)，使得高頻段的隔離度也得到了顯著地提高。需要注意的是，在圖4a）中發(fā)現(xiàn)添加中和線結(jié)構(gòu)后，反而增加了相鄰天線上耦合電流，增大了端口間的耦合程度，這要?dú)w因于其創(chuàng)造出來的額外電流路徑。為了定量的比較加入雙中和線結(jié)構(gòu)前后對(duì)天線隔離度的影響，給出了加入雙中和線結(jié)構(gòu)前后的相關(guān)S參數(shù)，如圖5所示，其中S11指端口2接50Ω負(fù)載時(shí)，端口1的反射系數(shù)，該參數(shù)揭示了天線與饋線兩者的匹配度，表征天線的回波損耗；S21指端口2接50Ω負(fù)載時(shí)，端口1的信號(hào)能量傳輸?shù)蕉丝?的能量，其揭示了端口間的耦合度，表征單元間的隔離度。從圖中可以看出，在保持良好阻抗匹配的情況下，中頻段及高頻段的隔離度可以達(dá)到-25 dB。但是，對(duì)低頻段的隔離度產(chǎn)生負(fù)面影響，這主要是由于中和線結(jié)構(gòu)添加到輻射單元擾亂了低頻及高頻的原電流分布，以犧牲低頻段的隔離度來換取中頻段及高頻段良好的隔離度。除此之外，由于引入了的呈感性特征的中和線，增大了天線整體的電感量，降低了低頻和高頻段的阻抗帶寬，如圖5a）所示。然而所提出的MIMO天線的帶寬仍可以成功覆蓋工作頻段，并且圖5b）中顯示的耦合電流對(duì)天線的隔離度產(chǎn)生的影響在可控范圍之內(nèi)。因此，可以得出結(jié)論，雙中和線結(jié)構(gòu)提高了工作頻帶內(nèi)的隔離度。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]一種小型化超寬帶MIMO天線設(shè)計(jì)[J]. 吳艷杰,龍?jiān)屏?  電波科學(xué)學(xué)報(bào). 2016(03)



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