1、第39卷第3期2020年3月電子元件與材料ELECTRONICCOMPONENTSANDMATERIALS研究與試制一種高隔離度的雙倒L形雙頻MIMO天線設計嚴冬，丁楚塵，易兆，張力弓，胡安沙(重慶郵電大學自動化學院，重慶400065)摘要：研究了一種微帶線饋電的雙倒L形雙頻MIMO印刷天線結構，通過在倒L單極子結構上加載一條倒L形地極枝節,實現了天線的雙頻特性：通過在天線的元之間加栽一條T形去翔枝節，有效提高了天線單元之間的隔離度。實驗結果表明，天線在S”M-10dB時，工作頻段分別為239253GHz和492615GHz,相對帶寬分別為57%和222%,工作頻段內隔離度均大于18dB.,此

2、外，天線整體輻射特性較好，結構簡單并易于制作，可應用于WLAN無線通信系統。關批詞：MIMO天線：高隔離度；WLAN：雙頻段；小型化DOI：1014106/jcnki1001-2028202003014中圖分類號：TN82文獻標識碼：A文章編號：1001-2028(2020)03-082-06DesignofadoubleinvertedLshapeddual-bandMIMOantennawithhighisolationYANDong,DINGChuchen,YIZhao,ZHANGLigong,HUAnsha(CollegeofAutomation,ChongqingUniversity

3、ofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China)Abstract:Aprinteddual-bandMIMOantennawasinvestigated,whichhasdouble-invertedLshapedstructurewithmicrostriplinefeed.Thedual-bandoftheantennawereachievedusinganinvertedLshapedfloorbranchonaninvertedLmonopolestructure.Theisolationwascffcclivclyimproved

4、byloadingaT-shapeddecouplingbranchbetweentheantennaelements.TheexperimentalresultsshowthatatS“M-10dBtheoperatingbandsare239一253GHzand492615GHzwithrelativebandwidthof57%and222%respectively.Theisolationin(heworkingbandislargerthan18dB.Theantennaalsoexcelinoverallradiationcharacteristics,simplestructur

5、eandeasyfabrication,whichmeritstheirapplicationsinWLANwirelesscommunicationsystem.Keywords:MIMOantenna;highisolation;WLAN;dual-band;miniaturization無線局域網(WirelessLocalAreaNetwork,WLAN)作為一種低成本、高帶寬的無線接入技術,己經成為人們生活中的重要組成部分，并得到了廣S乏的應月多輸入多gU'Wukiple-lnputMultiple-Out,MIMO)技術的應用.極大地改善了無線通信系統的通信質量，提高了無線

6、信道容量。天明為無線通伯敬備中不可或映的算分.共住匝的u:劣州大&通信檢務的通做能力m至X'i«e3.因此,jniKffJ-W1JKN的MIMO*««««/<目前，對于MIMO天線的研究重點主要集中在如何減少天線單元之間的相互耦合。例如.文獻4通過加載曲折諧振器的方法使兩個天線單元之間的耦合大大減少，有效改善了MiMO天線的隔離特性;文獻5提出了一種基于耦合諧振的雙頻去耦網絡.具有適用性強、結構緊湊FI解耦高效等特點.可應用于無線終端；文獻6提出了一款倒F形的四單元WLAN雙頻MIMO天線，四個天線單元以旋轉對稱的方式進行

7、排列.使天線的極化正交.實現了較好的去耦效果.但是在天線設計中存在著尺寸偏大、隔離特性差以及無法實現多頻段覆蓋的問題。文獻7提出的WLAN雙頻縫隙MIMO天線，雖然具有較小的尺基金項目：國家電點研發計劃(2017YFB1303704);成慶市科技電大主題專項(csic2018jszx-cyzlzxX0028.cstc2017rgzn-zdyfX0038);慶ih.社會事業與民生保障項目(cstc2OI8iscx-msybXOO22)收稍口期:2019-11-29通信作者：丁楚塵作者簡介：嚴冬(1978-).坍.遼寧沈RIA.教授.主要從事無線傳輸、天線設計、智能電網等研究：丁楚塵(1995-)

8、,男.重慶人,研究生.研究方向為天級設計、射傾電路設計。天經正面金屬天經背面金周介質城板圖1天線整體結構圖Frcqucncy(GHz)圖3不同天線結構S“仿真曲線Fig3Sitsimulationcurvesofdifferentantennastructures寸以及良好的隔離特性.但是天線未實現WLAN52GHz工作頻段的覆蓋。隨著用戶需求的提升以及物聯網等應用的推動，MIMO天線正朝著小型化、多頻化方向發展。針對當前MIMO天線小型化'皿化9、山玲以及瓏而&計中存住的不足，本艾以傳統倒l單極r為顯徐陪構.捉出了一神雙倒lMIMO大線.通過加披松臺倒I.枝節以ZiTKiKU

9、PMAiC.WLAN24GHz利5GHz兩個飽儀.枸段和鬲蜘爻灶常*；她的隔底便分用提，狎4dB15dB.HAft*構Him、*度弁*tUhUlZ權好等憐以.1天線整體結構所設計M1M0天線結構如圖1所示。天線單個輻射單元由印制在介質基板正反兩面的兩個倒L形輻射枝節組成，其中背面倒L形輻射枝節與金屬地板相連接.通過將兩個天線單元以對稱分布形式進行擺放.并在天線單元之間加載-個T形地板枝節.提出了本文所設計MIMO天線的整體結構。天線整體尺寸為50mmx26mm,介質基板材料采用相對介電常數為44的玻璃纖維環氧樹脂(FR4),其厚度為08mm.損耗角正切為002。Fig1Overallstruc

10、tureoftheantenna2天線設計過程分析2.1單個天線單元設計MIMO天線由于具有兩個及以上的天線單元,設計時通常采用先實現單個天線輻射單元后實現MIMO天線的設計順序.單個天線單元設計過程如圖2所示。圖2(a)所示為倒L單極子天線的初始結構Antennal,主要用來實現WLAN5GHz頻段諧振。為了實現天線的雙頻特性，在天線介質基板背面的金屬地板上加載一個倒L形的寄生單元，其可以通過耦合饋電的方式諧振出WLAN24GHz頻段.天線結構如圖2(b)所示。(a)Antennal(b)Antenna2圖2單個天線單元設計過程Fig2Designprocessofsingleantenna

11、element為了驗證單個天線單元設計過程的合理性，分別對圖2中兩種天線結構的S,.隨頻率變化情況進行仿真,結果如圖3所示。由圖3可知，Antenna2相比于Antennal,除諧振出了WLAN5GHz頻段.在WLAN24GHz頻段也產生了諧振，說明倒L形地板枝節的加載使天線具備了雙頻特性，實現了WLAN所有工作頻段的覆蓋。2.2MIMO天線設計將兩個Antenna2所示天線單元進行對稱擺放得到天線結構MIMO1,同時在金屬地板與倒L形枝節連接處分別加載一個矩形縫隙，縫隙的加載改變了電流的流動路徑，能夠使所設計的天線獲得更佳的阻抗匹配。為了提高天線單元之間的隔離特性,在兩個輻射單元之間加載一個

12、T形地板枝節，從而得到了圖4(b)所示的天線結構MIMO2。圖5所示為加載T形去耦枝節前后兩種天線結構S%仿真情況。由圖5可得，天線在加載T形去耦枝節后,低頻段由T5dB降至-19dB左右,高頻段S2i由-20dB降至-35dB左右，隔離特性明顯增強,從而驗證了T形地板枝節的去耦作用。于T形去耦枝節.T形枝節的主要功能是去耦作用。此外.由MIMO2結構可知.倒L形地板枝節一方面可以通過倒L單極子的耦合饋電作用諧振出天線的低頻段.實現雙頻特性，另一力面在夭線高頻段可以對倒L單極子輻射的電磁波起到一定削弱作用，進而可以提高天線在高頻段的隔離度。(a)MIMOIZ=(b)MIMO2圖4MIMO天線設

13、計過程Fig4DesignprocessofMIMOantenna(a)MIMOI-2.45Gllz圖5有無去耦結構MIMO大線S”仿真曲線Fig5S21simulationcurvesofMIMOantennawithorwithoutdecouplingstructure(b)MIMOI-5.5GHz(c)MIMO2-2.45GHz(d)MIMO2-5.5GHz圖6有無去耦結構M1MO天線表面電流分布情況Fig6SurfacecurrentdistributionofMIMOantennawithorwithoutdecouplingstructure圖6展示了245GHz和5.5GHz頻

14、率時，天線結構MIMO1和MIMO2輻射R占片表面電流仿真情況。由圖6可得，天線MIMO1未加載T形去耦枝節前，當左端口被激勵時，右端非激勵單元存在許多耦合電流，天線單元之間存在強烈的耦合；天線MIMO2在加載T形去耦枝節后，右端非激勵單元輻射枝節表面電流明顯減少，耦合電流主要集中2.3參數優化為了使所設計MIMO天線能夠實現最佳性能.利用HFSS130電磁仿真軟件對天線部分重要參數進行了優化仿真分析，優化時采取一個參數進行變化，其余參數保持固定不變的方式。結果如圖7所示。由圖7(a)、(b)可得,參數乙2和L主要對天線諧振頻率產生了影響。參數L2從35mm增加到5mm的過程中，天線在低頻段的

15、諧振頻點未出現明顯變化，在高頻段的諧振頻點逐漸左移。隨著參數L逐漸變大，天線在低頻段的諧振頻點逐漸左移，而高頻段的諧振頻點幾乎保持不變，且S”參數先減小后增大。從圖7(c)可以看出，爵2由小變大的過程中，天線的諧振頻點以及S“均未發生過多改變.也就是說T形去耦結構的加載并未對天線諧振頻段和阻抗匹配造成明顯改變。由圖7(d)可得.隨著Z/T2的增大.天線在工作頻段內的Sz整體呈現減小的趨勢，即MIMO天線的隔離性能得到了改善.尤其對高頻段內隔離特性的提高較為明顯。(a)天線S”隨0變化的彷爽:曲線FrequencyfGHz)(b)天線務隨心變化的仿真曲線FrcqucncyfGHz)Frcquen

16、cy(GHz)(c)天線Sh隨ZT2變化的仿真曲線(d)天線S21隨如變化的仿真曲線圖7天線重要參數優化Fig7Optimizationofimportantantennaparameters通過對其他參數進行仿真優化，確定了天線的最終參數尺寸.如表1所示。表1天線各參數優化后的數據Tah1OptimizeddataofantennaparametersmmWw2WtWsLLil2l3501.512080626151419心Lg如LsOid2H13292125152527416083結果分析為了能夠對MIMO天線整體性能進行驗證，按照優化后得到的尺寸參數構建了天線最終模型，并進行了加工制作及測

17、試,天線實物如圖8所示。天線性能測試儀器為安捷倫AgilentE5071C型號矢量網絡分析儀。圖9為天線S參數仿真與測試結果。仿真結果顯示，當5H<-10dB時，天線有效工作帶寬分別為014GHz(239253GHz)和123GHz(492615GHz),相對帶寬分別為57%和222%,工作頻段能夠滿足WLAN要求，阻抗匹配特性與帶寬特性良好。此外,實測結果顯示工作頻帶內天線隔離度均在18dB以上,目.最大可達45dB,隔離特性較好。整體來看.天線實測結果與仿真結果具有較高的一致性。圖10為天線在24,5.2,58GHz三個諧振頻點處的二維輻射方向仿真圖。由圖10可知，天線在24GHz頻

18、點時，E面(xoz面)和II面(yoz面)遠場輻射方向圖大體呈圓形，絕大部分方向增益值均在1dBi以上.全向輻射特性較好：在52GHz頻點時，天線H面260。方向處產生了一個畸變點,增益最低為-793dBi,E面整體方向性良好，且180。方向處增益達到325dBi;在58GHz頻點時,天線60°90。方向處E面和H面輻射方向圖較差.增益最低分別為-391dBi和-355dBi.且H面在250。方向處出現畸變點，增益低至-7.69dBi,除此之外.天線方向性較好.旦E面和H面在160。方向處最大增益分別達到了6.58dBi和494dBi。總體來說,天線輻射分布較為均勻.具有良好的全向輻

19、射特性。包絡相關系數(EnvelopeCorrelationCoefficient,ECC)可以用來對MIMO系統信道之間不相關性進行表征，其值越小則說明MIMO系統信道之間的相關性越低,系統分集性能越好。目前,最常用的計算方式為采用天線散射參數來計算，計算公式"勘心"ECC=(1-|sj-|s2l|2)(1|s撰sf)|(1)圖8MIMO天線實物圖Fig8PhysicalmapofMIMOantenna式中：S*.S*分別為和52I的參數虛部。圖11為天線在空間中某定點處增益隨頻率變化的仿真曲線。結果顯示，天線在WLAN24GHz和5GHz頻段內.增益變化范圍分別為475

20、507dBi和199274dBi.輻射性能較好。12345678Frcqucncy(GHz)SimulatedSu一Simulated&Measured5tl-MeasuredS2l210/y120圖9S參數仿真與測試結果Fig9SimulationandtestresultsofSparameters(a)2.4GHz(b)5.2GHz(c)5.8GHz圖10天線遠場輻射方向圖Fig10Antennasfarfieldradiationpatterns天線ECC隨頻率變化曲線如圖12所示，由圖12可得，天線在有效工作頻帶內的ECC值均遠遠小于001.滿足MIM0天線在實際工程中的需要

21、。為更好展現本文所設計的雙頻MIMO天線性能，選取參考文獻中兒款天線，分別從天線尺寸、工作頻段、相對帶寬以及隔離度等方面進行對比,對比情況如表2所示。從對比結果來看，該天線結構簡單且易于集成，能夠在較小的尺寸卜實現良好的阻抗匹配特性、輻射特性以及隔離特性，整體性能較好。4結論提出了一種可應用于WLAN的雙頻MIMO印刷天線。天線以倒L單極子為基礎結構.通過在背面加載倒L形地板枝節以及T形去耦枝節的方式.分別實現了雙頻特性以及高隔離特性。結果表明，天線在加載T形去耦枝節后有效工作頻段內隔離度均在18dB以上，最大隔離度可達45dB左右.隔離特性較好。此外.天線有效工作頻帶能夠完全覆蓋WLAN頻段

22、.阻抗匹配特性以及全向輻射特性良好.同時具有尺寸小、結構簡單等特點，在WLAN無線通信系統中具有定的應用價值。(xp)u«oFrequency(GHz)圖11天線增益隨頻率變化曲線Fig11Antennagainversusfrequencycurve圖12天線ECC隨頻率變化曲線Fig12AntennaECCversusfrequencycurve表2天線性能比較Tab2Comparisonofantenna'sperformance文獻尺寸(mm)諧振頻段(GHz)相對帶寬(%)隔離度(dB)460X6023224867>gt;22750X4

23、8200260261>gt;111050X37220275222>1550955077>18本文50X2623925357>gt;25參考文獻：I SimCYD,HsuYW.ChaoCH.DualbroadbandslotantennadesignforWI.ANapplicationsJ.MicrowaveandOpticalTechnologyLexers,2014,56(4):983-988陳顯明,楊亞東.劉書煥.一種緊湊型高隔離度的MIM0超寬帶大線研究J.電子元件與材料.2016,35(1):54-563 嚴冬.程亞軍.汪朋.等.基于結構合成法的微型化雙頻WLAN印刷天線設IIJ.儀器儀表學報.2016.37(6):1421-1432DengJY,WangZJ,LiJY,etal.Adual-bandMIMOantennadecoupledbyameanderinglineresonatorforWLANapplicationsJ.MicrowaveandOpticalTechnologyLetters,2018,60(3):759-7654 鄒曉姓，王光明.王亞偉.等.基于耦合諧振去耦網絡的雙