設計了一款可以應用于LTE2300和WiMAX3.5/5.8 GHz頻段的多輸入多輸出（MIMO）天線,其由2個相距4 mm的對稱單元組成,且每個單元由"己"和"弓"形的彎折線構成。采用背對背布局形式的組陣方式來實現(xiàn)低頻段的高隔離度。同時,為了提高中頻段和高頻段端口間的隔離,將雙中和線去耦結構加載至天線單元兩端,并對該去耦結構進行了理論分析和實驗驗證。利用HFSS仿真軟件對MIMO天線的性能參數(shù)包括S參數(shù)、輻射模式、增益和包絡相關系數(shù)（ECC）等進行研究。結果表明,在頻點為3.5 GHz處隔離度提高25 dB,在頻點為5.7 GHz處實現(xiàn)了30 dB的隔離度。此外,該天線具有全向輻射特性,在工作頻段內具有較好的分集增益。 

【文章來源】：河北工業(yè)大學學報. 2020,49(04)

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

MIMO天線結構圖

為了提高天線單元高頻段之間的隔離度，同時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，在原單元基礎上引入了一個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)的直線形中和線結構，其節(jié)省了空間并且兩個中和線分別控制兩個頻率的去耦，增加了設計的過程自由度。NL1長度近似為工作在5.7 GHz時的一個波長，NL2的水平長度近似為工作在3.5 GHz時的半個波長。如此就相當于提供了兩條耦合路徑，設想通過兩個不同長度的去耦電流路徑來減弱近場耦合產生的干擾電流，應用于所提出的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。當天線1被電流I激勵時，耦合電信號Ia會出現(xiàn)在天線2上。加入中和線后，其會接收到的I的分流Ib。很明顯，加入不同長度及寬度或者形狀組合會相應的形成不同的分流Ib。因此，為了降低端口間的耦合效應，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，仿真時天線單元1饋電，而天線單元2接50Ω負載匹配。從圖2中可以得知，NL1以及NL2分別對應于工作頻率為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實現(xiàn)了180°相移，這也驗證了所提出的猜想，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生的耦合電流�？傊�，NL2實現(xiàn)了中頻段的高隔離，NL1降低了高頻帶中2個天線單元間的耦合度，2個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生的干擾電流。

為了更清楚更充分地證實所提出的雙中和線結構去耦的有效性，查看了天線在頻點為2.3 GHz,3.5 GHz,5.7 GHz時加入該結構前后的電流分布對比圖，如圖4所示。從圖4b）中可以看到，在未加入雙中和線結構的情況下，有一部分近場電流確實耦合到了相鄰的天線單元中，此時單元間的耦合確實以空間波的形式存在。但是在加入去耦結構后，耦合電流則主要集中在方框形的感應線上，可驗證此時NL2確實是處于諧振狀態(tài)，盡管兩個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“弓”形分支間的耦合電流明顯減小，此時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)添加中和線結構后，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，這要歸因于其創(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構前后對天線隔離度的影響，給出了加入雙中和線結構前后的相關S參數(shù)，如圖5所示，其中S11指端口2接50Ω負載時，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負載時，端口1的信號能量傳輸?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到-25 dB。但是，對低頻段的隔離度產生負面影響，這主要是由于中和線結構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天線的隔離度產生的影響在可控范圍之內。因此，可以得出結論，雙中和線結構提高了工作頻帶內的隔離度。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]一種小型化超寬帶MIMO天線設計[J]. 吳艷杰,龍云亮.  電波科學學報. 2016(03)



本文編號：3008165