淺談無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中小型化MIMO天線(xiàn)的研究與設(shè)計(jì)

王杰群 大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院

引言：如何在空間有限的前提下，實(shí)現(xiàn)多個(gè)MIMO天線(xiàn)的同時(shí)布局，以達(dá)到提高數(shù)據(jù)傳輸速率的目標(biāo)，已經(jīng)成為了當(dāng)下研究人員深入研究MIMO技術(shù)的主要論題之一。另外，小型化MIMO天線(xiàn)在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的創(chuàng)新設(shè)計(jì)將會(huì)成為影響到通信行業(yè)未來(lái)發(fā)展方向的重要因素，需要加大研發(fā)與創(chuàng)新力度，盡快促進(jìn)高速度寬帶無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，滿(mǎn)足移動(dòng)終端設(shè)備的多功能設(shè)計(jì)需求。

1 基于寄生元去耦法小型化MIMO天線(xiàn)設(shè)計(jì)

1.1 強(qiáng)耦合小型化MIMO天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

目前，在單元之間添加寄生單元是達(dá)到天線(xiàn)低耦合目標(biāo)的重要方法之一。由于寄生單元富含多元化的形式，能夠結(jié)合天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)及功能需求進(jìn)行靈活的設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的使用性能,因此本章主要闡述一款基于2.4GHz WLAN頻帶的緊湊型小型化MIMO天線(xiàn)。

從結(jié)構(gòu)上看來(lái)，這款強(qiáng)耦合天線(xiàn)的介質(zhì)板上面主要放置了天線(xiàn)單元的對(duì)角，下面則是方形的底板。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式，能夠計(jì)算出介質(zhì)板的介電常數(shù)εr=4.4，尺寸為W×L=20mm×60mm，整體厚度h=0.8mm。值得注意的是，引進(jìn)寄生單元之后天線(xiàn)的自阻抗性能也會(huì)受到影響，通過(guò)觀(guān)察測(cè)繪小型化MIMO天線(xiàn)單元內(nèi)的S參數(shù)曲線(xiàn)情況便可得知，只有處于2.85GHz階段時(shí)，本節(jié)設(shè)計(jì)的天線(xiàn)單元才能保持較低的單元隔離度以及較好的諧振，能夠順利進(jìn)行阻抗匹配。

1.2 低耦合小型化MIMO天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

本節(jié)設(shè)計(jì)了低耦合小型化MIMO天線(xiàn)，因?yàn)檫@里需要運(yùn)用矩形寄生單元來(lái)完成天線(xiàn)之間的低耦合，所以天線(xiàn)之間的隔離程度會(huì)受到寄生單元尺寸的影響。在設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠看到寄生單元長(zhǎng)度以及寬度的變化情況，明顯會(huì)對(duì)天線(xiàn)的耦合情況產(chǎn)生影響，但是卻幾乎無(wú)法影響到天線(xiàn)的波形[1]。綜合本節(jié)的研究可以得知，雖然引進(jìn)寄生元能夠緩解MIMO天線(xiàn)之間出現(xiàn)的耦合問(wèn)題，但是一定會(huì)對(duì)天線(xiàn)的阻抗匹配性能產(chǎn)生影響，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候一定要對(duì)天線(xiàn)耦合以及匹配這兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行綜合考量。

2 S參數(shù)法基礎(chǔ)上的小型化MIMO天線(xiàn)設(shè)計(jì)

基于S參數(shù)法基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)小型化MIMO天線(xiàn)時(shí)，針對(duì)天線(xiàn)的耦合情況，本節(jié)主要給出兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析比較。第一方案中的去耦網(wǎng)絡(luò)主要由長(zhǎng)度6mm傳輸線(xiàn)并聯(lián)1PF電容而組成。觀(guān)察得到的S參數(shù)曲線(xiàn)便可以得知，在增添去耦網(wǎng)絡(luò)之后，天線(xiàn)單元之間的耦合程度明顯從-4dB降低到了-20dB，但是從天線(xiàn)單元之間的匹配上來(lái)看，還是產(chǎn)生了良好的匹配效果。雖然增添去耦網(wǎng)絡(luò)能夠顯著提升天線(xiàn)單元間的隔離度，但是S參數(shù)曲線(xiàn)中的最大隔離度在17dB上下徘徊，不太符合天線(xiàn)單元工作頻帶全部高于15dB的要求[2]。

改進(jìn)后的第二方案在分析縫隙寬度以及長(zhǎng)度對(duì)天線(xiàn)的影響后，能夠發(fā)現(xiàn)縫隙寬度明顯會(huì)影響到頻段內(nèi)的隔離度以及天線(xiàn)單元諧振頻譜。在縫隙寬度由1.0mm降到0.4mm的時(shí)候，諧振頻譜會(huì)經(jīng)歷從低頻到高頻的歷程，使得天線(xiàn)的特性趨于最佳。也就是說(shuō)，地板上存在的公共電流可以成為增強(qiáng)天線(xiàn)單元間耦合的重要因素，因此可以通過(guò)改變地板電流分布的方式，降低小型化MIMO天線(xiàn)狹小單元間隙之間的耦合程度，實(shí)現(xiàn)S參數(shù)法基礎(chǔ)上小型化MIMO天線(xiàn)的設(shè)計(jì)。

3 新型高隔離度小型化MIMO天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

綜合第二節(jié)的分析可以得知改變地板電流能夠提升MIMO天線(xiàn)間的隔離度，所以本節(jié)要闡述建立在增添傳輸線(xiàn)，以及改動(dòng)地板縫隙結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的新型高隔離度小型化MIMO天線(xiàn)。首先要在介質(zhì)板上添加兩節(jié)傳輸線(xiàn)、在地板上添加縫隙結(jié)構(gòu)，之后便可以發(fā)現(xiàn)傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度、縫隙距離O點(diǎn)的距離都會(huì)影響到天線(xiàn)的隔離度。綜合上述分析，本節(jié)設(shè)計(jì)一款采用基于曲折形單極子天線(xiàn)的小型化雙頻MIMO天線(xiàn)，縫隙尺寸選為1.5mm×11mm。通過(guò)對(duì)天線(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)樣品進(jìn)行加工實(shí)測(cè)后，發(fā)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)分析結(jié)果能夠與實(shí)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生良好的吻合效果，而且在2.34-2.50GHz和5.45-5.75GHz頻帶上，天線(xiàn)的回波損耗超出了10dB,單元格力度也能大于15dB，說(shuō)明天線(xiàn)信號(hào)具有較好的分集增益，此次小型化MIMO天線(xiàn)設(shè)計(jì)具備可行性。

結(jié)束語(yǔ)：綜上所述，隨著B(niǎo)3G、4G時(shí)代的深入發(fā)展，移動(dòng)通信終端設(shè)備的發(fā)展極大的便捷了人們的日常生活，真正將世界各國(guó)的人們連接成了一個(gè)共同體。但是與此同時(shí)，也要看到頻譜資源緊張可能會(huì)導(dǎo)致的嚴(yán)重問(wèn)題，繼而深入研究MIMO技術(shù)。小型化MIMO天線(xiàn)能夠?qū)o(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的系統(tǒng)通信容量成倍的擴(kuò)展，恰好符合無(wú)限通信對(duì)于網(wǎng)絡(luò)大信道容量的研發(fā)需求。

[1]楊子賢.無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中小型化MIMO天線(xiàn)的研究與設(shè)計(jì)[D].電子科技大學(xué),2016.

[2]史超.無(wú)線(xiàn)移動(dòng)終端的小型化MIMO天線(xiàn)的研究與設(shè)計(jì)[D].南京信息工程大學(xué), 2014.