一種應(yīng)用于5G物聯(lián)網(wǎng)的八端口高隔離二元寬帶MIMO天線

丁志清，王三山

（遵義職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 遵義 563006）

0 引 言

5G時代，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）在自動化、智能供應(yīng)鏈和運輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控和物流等領(lǐng)域迅速發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)意味著傳感器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)后可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。截至2021年，全世界已超過500億臺設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)。

1 5G-IoT應(yīng)用

以物聯(lián)網(wǎng)（loT）為中心的概念，如虛擬現(xiàn)實、高分辨率視頻流、自動駕駛汽車、智能環(huán)境、電子醫(yī)療等無處不在，這些應(yīng)用需要高數(shù)據(jù)速率、大帶寬、高容量、低延遲和高吞吐量支撐。

1.1 5G規(guī)劃頻段

2020年是5G網(wǎng)絡(luò)商用元年，按照中信部文件，中國移動獲得了2 515～2 675 MHz和4 800～4 900 MHz兩個5G頻段，頻段號分別為n41和n79。中國電信獲得了3 400～3 500Hz的頻段，頻段號為n78，中國聯(lián)通獲得了3 500～3 600 MHz的頻段，頻段號也是n78，而國外的5G標(biāo)準(zhǔn)也各有差異。

1.2 5G-IoT天線挑戰(zhàn)

第五代（5G）蜂窩網(wǎng)絡(luò)為loT技術(shù)的部署提供了關(guān)鍵的使能技術(shù)。其中，多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output, MIMO）天線作為收發(fā)的重要組成部分，可以在有限的功率水平內(nèi)實現(xiàn)多路傳輸，從而提高效率。但多天線系統(tǒng)無法避免天線單元之間的相互耦合，耦合程度越高，MIMO天線整體效率越低，這也對天線的隔離度提出了新的挑戰(zhàn)。

基于此，本文提出了一種應(yīng)用于5G物聯(lián)網(wǎng)的八端口高隔離二元寬帶MIMO天線陣列。該天線陣列由4個空間正交的二元PIFA天線對組成，兩兩處于同一平面內(nèi)。天線結(jié)構(gòu)包括4個二元雙饋的平面倒F天線（PIFA）對，其中，1個二元雙饋PIFA對包括A型和B型2個天線單元。每個二元雙饋PIFA都有2個饋電板，饋電板彼此以正確的角度放置，使其交叉極化，同一平面的空間分集將2個二元雙饋PIFA對通過對角線定位在天線結(jié)構(gòu)的相對兩側(cè)。為減少相互耦合，在每個單元頂板下的接地面每一側(cè)刻蝕矩形槽，以阻止同一天線單元2個端口間的電流流動；處于不同平面的天線單元采用正交布局形式實現(xiàn)空間分集，增強(qiáng)MIMO天線系統(tǒng)隔離度。

2 MIMO天線設(shè)計

本文提出了一種應(yīng)用于5G物聯(lián)網(wǎng)的八端口高隔離二元寬帶MIMO天線，采用MIMO天線可以在帶寬不變的情況下極大地增加信道容量，采用極化分集和空間分集解耦方式降低天線耦合度，提高M(jìn)IMO天線系統(tǒng)隔離度。

2.1 天線結(jié)構(gòu)

如圖1所示，4個二元雙饋PIFA對放置在2塊空間正交的介質(zhì)基板上，每塊介質(zhì)基板的尺寸為150 mm×50 mm×1.5 mm，材料為FR4，其背面印有系統(tǒng)地板。兩基板天線結(jié)構(gòu)、布局基本相同，存在部分尺寸差異。

圖1 天線整體結(jié)構(gòu)

同一介質(zhì)基板上布局2個二元雙饋天線對，即4個天線單元。2個二元雙饋天線對位于介質(zhì)基板對角線的兩端，形成空間分集。兩塊介質(zhì)基板呈正交形態(tài)，以此達(dá)到正交極化，實現(xiàn)不同基板天線對之間的空間和極化分集，提高天線整列隔離度。

圖2為天線詳細(xì)結(jié)構(gòu)，每個天線對都有2個矩形饋電板、1個矩形短路板和1塊矩形輻射片。輻射板位于介質(zhì)基板上方，2饋電板采用同軸饋電方式，短路板直接連接系統(tǒng)地板。

圖2 天線詳細(xì)結(jié)構(gòu)

在每個天線對中，短路板位于輻射片對角處，用于短接輻射片與系統(tǒng)地板；兩饋電板彼此分別在輻射片長邊和短邊下方饋電，在正確的角度放置，激勵同一塊輻射片，使其交叉極化，同時達(dá)到覆蓋多頻帶的目的。在對輻射片短邊處饋電所形成的天線為A型天線，在長邊處饋電的為B型天線。

由于每個二元雙饋天線對的同一輻射單元下的2個端口彼此放置得非常近，因此需要使用隔離技術(shù)來減少2個端口之間的相互耦合。為此，在每個PIFA對輻射片下方的接地上開槽。這些蝕刻槽減少了同一PIFA天線對2個饋源通過接地平面的電流，從而減少了它們之間的相互耦合，提高了天線隔離度。此外，每個二元雙饋天線對的B型天線同軸饋電附近開有一個倒L型槽，以擴(kuò)寬B型天線帶寬，同時增強(qiáng)2天線對之間的隔離度。

本結(jié)構(gòu)采用二元雙饋方式和倒L型槽拓寬頻帶，MIMO天線工作在2 100～3 700 MHz和4 100～5 800 MHz頻段，可以支持覆蓋國內(nèi)外大部分5G-IoT應(yīng)用，通過極化和空間分集降低天線單元之間的耦合度，提高天線隔離度，使得天線阻抗達(dá)到良好效果。在工作頻段內(nèi)，所有天線回波損耗均小于-10 dB，同時隔離度優(yōu)于-11.12 dB。

2.2 天線性能

本文采用CST三維電磁場仿真軟件進(jìn)行天線仿真，詳細(xì)驗證了各單元回波損耗、隔離度、總效率、輻射方向圖和端口之間的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)（Envelope Correlation Coefficient,ECC）。

2.2.1 回波損耗

圖3為各天線回波損耗仿真結(jié)果。其中，處于輻射片短邊處饋電所形成的A型天線（端口1、端口3、端口5和端口7）回波損耗如圖3（a）所示，B型天線回波損耗（端口2、端口4、端口6和端口8）如圖3（b）所示。從結(jié)果可以看出，A型天線工作頻段在3 000～3 700 MHz和4 100～5 800 MHz時阻抗匹配良好，回?fù)軗p耗均小于-10 dB；B型天線工作頻段在2 100～3 400 MHz時同樣具有極佳的阻抗匹配。因此，所設(shè)計的MIMO天線整體工作頻段在2 100～3 700 MHz和4 100～5 800 MHz時，可支持國內(nèi)外大部分5G-IoT應(yīng)用。

圖3 天線回波損耗

2.2.2 隔離度

為檢驗不同端口間的耦合度，圖4給出了各天線的隔離度結(jié)果。從圖中可以看出，（端口2與端口1之間的隔離度）和具有良好的隔離性能，這是由于在每個PIFA對的輻射片下方的接地上開了槽，蝕刻槽減少了同一PIFA天線對2個饋源通過接地平面的電流，從而減少了它們之間的耦合，提高了天線隔離度；另外，兩介質(zhì)基板的垂直分布，使得垂直面相鄰天線對正交布局，具有極化分集優(yōu)勢，因此與在工作頻段上同樣能夠獲得良好的隔離性能，最小隔離度為11.12 dB。

圖4 天線隔離度

2.2.3 天線輻射特性

為驗證天線輻射特性，下文對輻射效率和輻射方向圖進(jìn)行了仿真評估。如圖5（a）所示，A型天線工作頻段內(nèi)輻射總效率為65.3%～84.5%。其中，在低頻段（3 000～3 700 MHz）的最低效率為65.3%，最高效率為82.1%，平均效率為71.7%；在高頻段（4 100～5 800 MHz）的最低效率為70.6%，最高效率為84.5%，平均效率為80.1%。

圖5 天線總效率

圖5（b）給出了B型天線的輻射總效率。從圖中可以看出，在對應(yīng)工作頻段內(nèi)（2 100～3 400 MHz）輻射總效率為67.1%～82.2%，平均效率為75.7%。天線輻射總效率和圖3的回波損耗仿真結(jié)果相互驗證了該八端口高隔離二元MIMO天線良好的輻射特性。

圖6為4個二元雙饋天線對中A型天線1以及B型天線2的輻射方向圖。從圖中可以清楚地看出A/B型天線具有互補(bǔ)的輻射圖，這種模式的多樣性是由于天線單元布局和饋電設(shè)計不同，從而產(chǎn)生了不同的輻射模式，證明了分集的存在，可獲得分集增益。

圖6 天線輻射方向圖

2.2.4 MIMO特性

由于所提出的八端口高隔離二元寬帶天線工作于MIMO，因此需要計算相應(yīng)ECC來評估其MIMO性能。圖7給出了根據(jù)MIMO天線參數(shù)所計算出的ECC結(jié)果，用于描述MIMO系統(tǒng)中通信信道的相互隔離或相關(guān)程度。

圖7 包絡(luò)相關(guān)系數(shù)

結(jié)果表明，計算得出的ECC值均小于0.09，均優(yōu)于“小于0.5”的可接受準(zhǔn)則，因此所提出的天線具有較好的MIMO性能。

3 結(jié) 語

本文提出了一種應(yīng)用于5G物聯(lián)網(wǎng)的八端口高隔離二元寬帶MIMO天線。8個端口利用極化和空間分集來獲得分集增益。采用地板蝕刻槽解耦技術(shù)減小相鄰天線端口之間的電流流動，提高隔離性能，采用二元雙饋方式和倒L型槽拓寬頻帶。在工作頻段內(nèi)，所有天線回波損耗均小于-10 dB，同時隔離度優(yōu)于-11.12 dB。天線效率為65.3%～84.5%，天線單元間的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)（ECC）低于0.09。以上結(jié)果驗證了所提出的MIMO天線適用于國內(nèi)外大部分5G-IoT應(yīng)用。