【学术论文】基于改进型中和线的MIMO天线设计

摘要：

提出了一款适用于移动终端的多入多出(MIMO)手机天线。该MIMO天线由两个中心对称的天线单元构成，采用耦合馈电方式，拓展了天线带宽，保证了天线的小型化。通过地板中间引入T型枝节，天线单元之间用中和线进行连接，达到提高天线单元间隔离度的目的。仿真结果表明，该天线能够覆盖824 MHz～960 MHz和2 300 MHz～2 600 MHz两个重要工作频段，中和线上加载的集总电感元件能有效减小中和线的物理长度。对天线进行了实物加工测试，实物测量结果与仿真结果比较吻合。

0 引言

随着通信技术的迅猛发展，用户对移动通信系统的性能、频谱的利用率提出了更高的要求，且不断追寻移动设备的小型化与便携性多入多出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)天线适用于多频段的无线通信，但是由于手机空间较小，天线单元之间存在不可避免的耦合作用，使得MIMO天线单元之间的相关性较大[1]，削减了MIMO天线在提高信道容量上的优势。

近年来，国内外大量专家学者对MIMO天线进行了研究，主要的研究方向是MIMO天线单元间的去耦。引入地板缝隙是去耦方法中最简单、最有效的，且容易加工制作，其去耦原理主要是通过减小天线单元之间的传播信号波长来减小单元之间的相关性[2-3]。文献[4]提出一种U型宽带MIMO天线，采用引入地板缝隙的方法，在2.4 GHz～6.35 GHz工作频带内的MIMO天线隔离度能够达到-20 dB。文献[5]中提出的超宽带带阻MIMO天线引入了T型枝节结构，该结构耦合到天线单元2的电流与天线单元1耦合到天线单元2的电流相位相反，相互抵消，减弱了天线单元间相关性[6-7]。同样，在MIMO天线中引入寄生单元[8]进行去耦与加载T型地板枝节的去耦原理相似。文献[9]中提出的天线采用了引入寄生单元的方法进行去耦，工作频段覆盖了2.4 GHz～2.5 GHz和5.15 GHz～5.825 GHz两个频段，且具有良好的隔离度。文献[10]提出了一种基于槽天线的小型化超宽带MIMO天线，采用在地板上开槽和方向图分集的方法，天线在3.1 GHz~7 GHz频段内S12<-10 dB，在7 GHz~11 GHz频段内S12<-25 dB，实现了天线的高隔离度。中和线技术是2006年提出的一种解耦技术，通过引入一条电流路径以抵消在相邻单元上的表面波耦合，实现MIMO天线的去耦。文献[11]提出的超宽带MIMO天线通过引进宽带中和线，降低了天线单元耦合，设计出的MIMO天线在3.1 GHz～5 GHz处隔离度达到-22 dB。中和线的长度、变形对天线的隔离度也有较大的影响。文献[12]提出的天线采用了两根不同长度的中和线，通过联合解耦的方式，在反射系数-6 dB的标准带宽下，实现了多个不同宽频带范围内的解耦。文献[13]设计的中和线采用多重折叠结构，介质基板底部中和线折叠14次，顶部折叠了20次，实现了天线的解耦。但是，上述提出的两种中和线的物理总长度都比较长，且文献[13]中的解耦结构比价复杂，这在一定程度上增加了天线设计的复杂度以及实物加工的成本。

本文通过在地板上放置两个天线单元结构，单元之间用金属中和线进行连接，并在中和线上加载集总电感元件，对其进行了改进，同时利用在地板上加载T型地板枝节，实现了MIMO天线的去耦。最后，在仿真优化的基础上，对天线进行了实物的加工和测试，实物测试结果与仿真结果基本一致。

1 天线设计

本文提出并设计了一款具有较高隔离度的MIMO手机天线，其主要采用耦合馈电技术和带阻匹配电路加载技术来实现，满足S11＜-6 dB，S21＜-10 dB，工作频段为824 MHz～960 MHz和2 300 MHz～2 600 MHz。

1.1 天线结构设计

所提出的MIMO天线具体结构如图1所示，由两个中心对称的天线单元构成，中间通过U型中和线进行连接，每个天线单元结构的尺寸为10 mm×22 mm，天线总占有的尺寸为10 mm×60 mm。

该天线印刷在介电常数为4.4的FR-4介质基板上，基板尺寸为120 mm×60 mm×0.8 mm。在天线的地板中间加入T型枝节，用来提高MIMO天线的隔离度。该天线采用了50 Ω同轴线馈电的激励方式。

1.2 MIMO天线的构成

所设计的MIMO天线采用耦合馈电方式，通过带阻电路和馈电线结合组成直接馈电部分，两个天线单元之间的距离只有16 mm。图2给出的是天线和每个单元的具体几何形状和尺寸。天线结构各部分的尺寸具体参数如表1所示。其中A1～A4是电感，C1是电容。

耦合馈电部分由短路线和集总元件组成，天线结构图2(d)的馈电线直接产生高频(2 300 MHz～2 600 MHz)，低频(824 MHz～960 MHz)由图2(b)中的带阻电路和耦合馈电线共同作用产生。用于连接两个天线单元的U型金属线长度为50 mm，该长度远远小于低频谐振点的长度，微带金属线加入的目的是实现在低频段去耦。天线的背面加入了T型地板枝节，如图2(c)所示，该结构主要是用于降低两个天线单元在高频段的耦合度。由于手机设备对天线尺寸要求的限制，为了能够覆盖GSM850/900 MHz的工作频带，该天线在馈电端口额外增加了一个带阻匹配网络，结构如图2(b)所示，带阻匹配电路的加入改善了天线的阻抗匹配。

1.3 天线的去耦

所设计的MIMO天线要求天线单元之间的耦合较小，因此采用U型中和线的方式进行去耦。利用中和线去耦的方法能够在保持原有天线尺寸的基础上，有效地减小低频处的耦合。但是，在天线单元之间放置中和线时，其位置是难以确定的，这也是MIMO天线设计的难点。

本文所设计的天线采用的是U型中和线结构，尺寸大小为50 mm×0.5 mm，并对其进行了改进，在中和线的中间位置加载大小为15 nH的集总电感，用于提高天线单元间的隔离度，也缩短了中和线的物理长度。

2 仿真结果分析

2.1 MIMO天线隔离效果分析

隔离度是衡量MIMO天线性能的重要指标之一。该天线采用了T型地板枝节和中和线去耦的方法来提高天线单元间的隔离度。T型地板枝节的作用主要是降低天线在高频段的隔离度，该结构能够使天线单元之间产生两个相位相反的电流，相互抵消，从而提高天线的隔离度。中和线的加入主要是用于降低天线在低频段的耦合。这里主要考察在改进型U型中和线上加载的集总电感A2对天线隔离度的影响。

如图3所示，A2取值的增大对天线在低频处S参数基本没有影响。图3(b)S21曲线中，A2增大时，天线在高频部分的隔离效果逐渐变差。根据仿真优化结果图，当A2的取值为15 nH时，天线在覆盖频段内的去耦效果最佳，隔离度能基本达到天线的设计要求。

将所设计的MIMO天线分别与两个参考天线进行S参数的对比，分析隔离性能的好坏。其中，参考天线1未加T型地板枝节和U型中和线，参考天线2未加U型中和线，3种天线的 S参数曲线对比如图4所示。

参考天线1的S参数在高频处只有一个谐振点，且频带的范围相对较窄，隔离度在-7 dB左右。参考天线2的S参数频带向左平移了一段距离，但整体对低频段的影响不大，天线的隔离度仍达不到理想情况。设计的MIMO天线在低频段和高频段内的隔离度都能达到-10 dB以上，隔离效果与两个参考天线相比，都有所提高，且天线能够覆盖824 MHz～960 MHz和2 300 MHz～2 600 MHz两个频段。

天线结构上的电流分布能很好地体现中和线的去耦效果。天线工作在850 MHz时，电流分布情况如图5所示。

在加入U型中和线之后，左边的天线单元电流强度减弱，传到右边天线单元的电流也得到了削弱。在不增加中和线结构时，天线在低频段的隔离度约为7.5 dB，在加入U型中和线结构之后，两个天线单元之间的隔离度提高了3 dB左右，低频段天线单元之间的相关性明显减小。该MIMO天线由于U型中和线的加入，在低频部分达到了去耦的效果。

2.2 天线辐射方向图

天线辐射方向图也是衡量天线性能的重要指标之一，本文对设计的MIMO天线进行了方向图仿真，图6为该天线在xoz面和yoz面的方向图，竖轴代表该天线在不同方向上的增益。

从图6中可以看出，在850 MHz的工作频率时，该天线在xoz平面的辐射方向图呈现∞型，与单极子天线的辐射方向图近似。当天线工作在2 500 MHz时，天线的辐射模式呈现多样性。在方向图中，Eθ和Eφ的大小基本相同，所设计的天线具有良好的稳定性。

3 天线实物加工测试结果

本文在应用电磁仿真软件HFSS设计和仿真MIMO天线的基础上，对天线进行了加工制作，图7所示为天线的加工实物图。

对该MIMO天线的加工实物用矢量网络分析仪进行测试，测试结果如图8所示。从实际测试结果和仿真结果来看，S参数在天线所需要覆盖的频段范围内走向基本一致，在低频824 MHz～960 MHz和高频2 300 MHz～2 600 MHz内分别满足S11＜-6 dB，S21＜-10 dB。但是，在其他频段内，实际测量结果与仿真结果有一定的差距。误差产生的主要原因是天线结构中的带阻匹配电路、中和线的电容和电感在焊接的过程中容易引起误差。其次，电容电感的大小本身也存在一定误差，且同轴线在加工过程中会有所损耗。同时，在电容和电感的焊接过程中，焊锡的多少也会造成误差的产生。

4 结论

本文提出并设计了一款利用改进型中和线方法去耦的MIMO手机天线。在MIMO天线的去耦方面，该天线通过在两个天线单元之间加入中和线，并在中和线上加载集总电感元件进行改进，成功实现了天线的去耦，并使天线得到小型化。同时，所设计的天线拥有突出的地平面，可以在上面安装其他元器件，节约手机主板的空间，使实体天线的结构更为紧凑。天线实物测试的结果进一步证明该天线具有良好的工作性能，基本符合了手机天线的设计要求。

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作者信息:

尹 波，顾 静，孙利军

（重庆邮电大学 光电工程学院，重庆400065）