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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 带有互相垂直解耦结构的紧凑型超宽带 MIMO 天线王友保，杨健* 5 10 15 20 25 （南京信息工程大学应用电磁研究中心，南京 210044）摘要：本文设计了一款工作在超宽带（UWB，3.1-10.6GHz）频段的两单元多输入多输出（MIMO）天线系统。在天线单元之间加入相互垂直的倒 L 形地支结构来扩频和解耦。在地支结构上增加平行支节，更进一步提高了天线单元之间的隔离度。仿真和实测均表明在 UWB 频段内隔离度小于-20dB，具有良好的辐射特性。关键词：MIMO 天线；超宽带天线；垂直结构中图分类号：TN827 Design of a compact UWB-MIMO Antenna With mutually perpendicular decoupling WANG Youbao, YANG Jian (Research Center of Applied Electromagnetic of Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044) Abstract: In this paper, a two-element multiple-input-multiple-output (MIMO) antenna which operating at ultrawideband(UWB,3.1-10.6GHz) two mutually perpendicular inverted L-shaped structure from the ground plane to enhance the bandwith and decoupling.Adding two parallel metal strips to inverted L-shaped structure further improve the isolation.The simulated and measured results show the isolation across the UWB less than -20dB,with good radiation characteristics. Key words: MIMO antenna; ultrawide band antenna; perpendicular structure is proposed.By extending 0 引言随着个人终端设备的迅速发展，超宽带（UWB，3.1-10.6GHz）受到人们越来越多的关注，因为它的高数据传输率、低发射功率、低成本等。然而多径效应的存在，限制了超宽带 30 通信系统的传输距离。多输入多输出（MIMO）技术可以利用多径效应，开拓空间资源。因此，若这两者相结合，必能大大提高超宽带通信系统的信道容量和通信半径[1]。为了获得良好的性能和紧凑的结构，一些关于 MIMO 天线的研究已经提出[2~7]，它们最主要的目的就是提高天线单元间的隔离度。比如，在文献[2][3]中，在天线单元之间内置解耦网络，虽然效果显著但是增加了天线设计和加工的难度，同时制作成本也相对要高；在文 35 献[4]中，采用 EBG 地板，有效的遏制激励天线单元产生的地板表面电流流向非激励天线单元。文献[5]~[7]中采用地板枝节，引入额外的电流，与激励单元所产生的耦合电流相位相反，从而解耦。本文中，在两个天线单元之间引入两个相互正交的地板枝节结构，使受激励天线单元所 40 产生的耦合电流绝大部分都聚集在地板枝节上面。地板枝节上的电流流向相互正交，从而达到解耦目的。此外，该地板枝节与天线单元部分重合，形成双面双带线（DSPSL）结构[8][9]，通过它可以改善天线的阻抗匹配，扩展天线的工作带宽，天线单元的尺寸也得到了减小。经作者简介：王友保(1964-),男,博士,副教授,研究生导师,研究方向:微波器件与电路、计算电磁学等. E-mail: wybtw@sohu.com - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 过仿真和测试，所设计的天线均覆盖了 3.1-10.6GHz 频段，在频带内的隔离度均小于-20dB。天线的方向图、相关系数和增益在文中均有讨论。 1 天线设计 45 经过仿真和优化后的天线结构和制作的实物如图 1 所示。两个耳朵形的天线单元和它们的微带馈线设计在相对介电常数，损耗正切的介质基板的正面。两个从地板上延伸出来的倒 L 形地板枝节在它们的长边顶点处相互正交。倒 L 枝节的长边还与天线单元部分重合，类似于双面双带线，改善了天线阻抗匹配并通过它们间的耦合扩展了低频带宽；它们的短边同样与天线单元重合，改变了天线单元上面的电流路径，使得高频 50 带宽得到提高。除此之外，该支节同样减小了两天线单元之间的互耦。在倒 L 形支节上额外的增加两个平行支节，能够进一步提高低频部分和附近的隔离度。天线优化后的各参数数值均图表 1 中列出。 (a) (b) 55 图 1 （a）天线结构图；（b）天线实物的正反面 Fig.1 (a) Configuration of the proposed antenna;(b)Top and bottom view of the fabricated antenna 36 7 5.25 60 表 1 天线的参数数值（单位：mm） Tab. 1 Parameters of the antenna 5.5 3.5 2.5 15 1.5 1 11 4.5 1 33 10.7 4.5 8.5 1.5 2.25 4 6 1.25 - 2 - 4.4rtan0.024FR9GHzLW1L2L3L4L5L6L7L1W2W3W4W5W6W7W8W9W10W11Wg

中国科技论文在线 1.1 天线互耦的原因 http://www.paper.edu.cn MIMO 天线最首要也是最重要的就是减小天线单元之间的互耦。图 2 中分别显示了仅左边的天线单元馈电，在 3.5GHz 时无地板枝节和有地板枝节的电流分布图。从图 2（a）和 2（b）中可以看出天线单元间的互耦主要是接地电流和空间耦合电流的影响。 65 （a）（b）图 2 在 3.5GHz 时的电流分布 Fig.2 Current distributions at 3.5GHz 70 1.2 天线解耦分析由上一节知道了引起两个天线单元互耦的原因，本小节开始对天线进行解耦。从图 3（a）、（c）、（e）中可以看出两个倒 L 形地板枝节正交放置，使得在它们上的电流流向也相互正交，大大减小了两个天线单元之间的接地电流的影响。从图 4 中可以很直观地看出倒 L 支节的加入，使得原本受互耦影响的 S11 和大于 5GHz 频段上的隔离度得到了极大的改善。略 75 有不足的是，小于 5GHz 的隔离度因为电流在地板枝节的聚集而受到了影响。为了在此基础上提高低频部分的隔离度，如图 3（b）（d）（f）所示，在倒 L 形地板直接的基础上额外的延伸出两条平行支条。增加的支条在 4.5GHz 处产生谐振如图 3（d）所示；同时如图 3（b）所示使天线单元上的凹槽周边的电流路径延长和增多，大大提高了低频部分的隔离度；从图 3（f）中右边支条附近的电流可以看出产生了谐振，使得在 9GHz 80 附近的隔离度也予以提高。从图 4（a）可以发现平行支节的加入几乎没有对 S11 产生影响。 (a)3.6G antenna #1 (b)3.6G antenna #2 - 3 - _1Port

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn (c)4.5G antenna #1 (d)4.5G antenna #2 (e)9G antenna #1 (f)9G antenna #2 图 3 在 3.6，4.5 和 9GHz 时的电流分布 Fig.3 Current distribution at 3.6,4.5 and 9 GHz (a） (b) 图 4 平行支节对 S 参数的影响 Fig.4 Influence of S-parameters on the parallel strips 85 90 2 倒 L 枝节对带宽的影响 95 倒 L 枝节的加入提高了天线单元之间的隔离度，与此同时它们也和天线单元部分重合，形成双面双带线（DSPSL）结构，扩展天线的带宽。当变化时，即改变倒 L 枝节长边与天线单元的耦合面积，它对两单元超宽带的影响如图 5 所示。从图 5（a）中可以看到，随着的增加，即地板支节与天线单元之间的耦合面积增加，天线的低频带宽明显的左移且对高频部分几乎未产生影响。从图 5（b）中也可以发现，改变了，对两天线单元之间 100 的隔离度也未产生多大影响，在整个 UWB 频带上仍小于 -20dB。值得一提的是，当时，天线的频带带宽为 3.7-10.6GHz，恰好对重复频段（3.3-3.7GHz）产生了阻带。当变化时，即改变倒 L 枝节短边与天线单元的耦合面积，它对两单元超宽带的影响 - 4 - 9W9W9W90.5WmmWiMAX6W

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 如图 6 所示。从图 6（a）中可以看到，随着的减小，即地板支节与天线单元之间的耦 105 合面积减少，天线的高频带宽明显的右移且对低频部分几乎未产生影响。从图 6（b）中也可以发现，改变了和改变一样，在整个 UWB 频带上隔离度仍小于-20dB。从前面的讨论中，我们可以发现增加平行支节，隔离度增加而匹配带宽未变；改变或，带宽改变而隔离度几乎未变。在 MIMO 天线系统设计中，保证阻抗匹配和隔离度有较好的独立可控性是相当重要的。 110 (a) (b) 图 5 当 W9 变化时候对天线的影响 Fig.5 Simulated S-parameters of the antenna when W9 varies 115 3 实测图 6 当 W6 变化时候对天线的影响 Fig.6 Simulated S-parameters of the antenna when W6 varies 将图 1(b)的天线实物在矢量网络分析仪 Agilent N5227A 中进行测试,得到与结果与仿真结果相比较如图 7 所示。在测试时，仅馈电，接匹配负载。由于两 120 天线单元相互对称，所以只给出了 1 端口的 S 参数对比情况，可以看出仿真和实测的结果基本吻合，工作频带为 3.1-10.6GHz，频带内的隔离度均小于-20dB。图 7 实测和仿真参数 Fig.7 Measured and simulated S-parameters of the antenna - 5 - 6W6W9W9W6W_1Port_2Port50S

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 125 3.1 天线辐射方向图天线单元馈电的辐射方向图如图 8 所示，可以看出天线在面、面和面均具有较良好的辐射特性。（a）xoy 面（b）xoz 面（c）yoz 面 130 图 8 实测和仿真参数 Fig.8 Measured and simulated S-parameters of the antenna 3.2 天线相关系数和增益信号相关系数（Envelope Correlation Coefficient）是判断多输入多输出天线分集特性好坏的重要依据。ECC 越小，天线中不同辐射贴片之间的耦合程度越小，代表各个信道独立性越强。它的大小可以通过天线的 S 参数估算得到[10]： 135 如图 9 所示，天线单元之间的相关系数小于 0.01，满足终端设备的应用要求。该天线的增益也在图 9 中，可以看到它的增益在 2.25-5.5dbi 之间。图 8 实测和仿真参数 Fig.9 Correlation coefffient |ρ| and gain curves for proposed MIMO antenna system 140 4 结论一款带有互相垂直解耦结构的紧凑型超宽带 MIMO 天线已经提出、制作和分析。该天 145 线结合双面双带线（DSPSL）的优点，大大扩展了天线的带宽；同时该双面双带线以垂直结构放置，使得集中在上面的电流流向相互垂直，起到了解耦的目的。天线单元上的凹槽和地板枝节上的平行枝条对天线单元间的隔离度也起到了不可忽视的作用。 150 - 6 - _1PortxoyxozyozS**1112212222221111222221(()1(()())(SSSSSSSSECCS

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn [参考文献] (References) 155 160 165 170 for LTE mobile [1] Liu L L,Wang Z D.A Compact Ultrawideband MIMO Antenna Using QSCA for High Isolation[J].Antennas and Wireless Propagation Letters,IEEE,2014,13:1497-1500. [2] Han M S.MIMO antenna using a decoupling network for next generation mobile application[J].Communication Technology,IEEE,2009:568-571. [3] Deukhyeon G A.Design of MIMO antenna with Decoupling Network Application[J].Microwave Conference Proceedings,IEEE,2012. [4] Yang F,Rahmat-Samii Y.Microstrip antenna integrated with electromagnetic band-gap(EBG) structures:A low mutual design for array application[J].Antennas and Propagation,IEEE,2003,51(10):2936-2946. [5] Liu L,Cheun S W,Yuk T I.Compact MIMO Antenna for Portable UWB Applications With Band-Notched Characteristic[J].Antennas and Propagation,IEEE,2015,63(5):1917-1924. [6] Antonino Daviu E, Gallo M, Bernardo Clemente, B, and Ferrando Bataller M. Ultra-wideband slot ring antenna for diversity applications,Electronics Letters, 2010, 46(7): 478-480. [7] Gao P, He S, Wei X B, Wang N, and Zheng Y.Compact printed UWB diversity slot antenna with 5.5 GHz band-notched characteristics,IEEE ,Antennas Wirelless Propagation Letters, 2014,13:376-379. [8] Li R L,Pan B, Laskar J. A novel low-profile broadband dual-frequency planar antenna for wireless handsets[J]. Antennas and Propagation, IEEE, 2008, 56(4): 1155-1162. [9] Zhang T, Li R L, Jin G P. A novel multiband planar antenna for GSM/UMTS/LTE/Zigbee/RFID mobile devices[J]. Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, 2011, 59(11): 4209-4214. [10] Blanch S, Romeu J, and Corbella I.Exact representation of antenna system diversity performance from input parameter description,Electronics Letters, 2003, 39 (9):705–707. - 7 -

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