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MIMO天線的同時布局，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天線在無線通信系統(tǒng)中的創(chuàng)新設(shè)計將會成為影響到通信行業(yè)未來發(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)高速度寬帶無線接入網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，滿足移動終端設(shè)備的多功能設(shè)計需求。

1 基于寄生元去耦法小型化MIMO天線設(shè)計

1.1 強(qiáng)耦合小型化MIMO天線的設(shè)計

目前，在單元之間添加寄生單元是達(dá)到天線低耦合目標(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)合天線的結(jié)構(gòu)及功能需求進(jìn)行靈活的設(shè)計，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。

從結(jié)構(gòu)上看來，這款強(qiáng)耦合天線的介質(zhì)板上面主要放置了天線單元的對角，下面則是方形的底板。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計算公式，能夠計算出介質(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)寄生單元之后天線的自阻抗性能也會受到影響，通過觀察測繪小型化MIMO天線單元內(nèi)的S參數(shù)曲線情況便可得知，只有處于2.85GHz階段時，本節(jié)設(shè)計的天線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天線的設(shè)計

本節(jié)設(shè)計了低耦合小型化MIMO天線，因?yàn)檫@里需要運(yùn)用矩形寄生單元來完成天線之間的低耦合，所以天線之間的隔離程度會受到寄生單元尺寸的影響。在設(shè)計過程中能夠看到寄生單元長度以及寬度的變化情況，明顯會對天線的耦合情況產(chǎn)生影響，但是卻幾乎無法影響到天線的波形[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天線之間出現(xiàn)的耦合問題，但是一定會對天線的阻抗匹配性能產(chǎn)生影響，所以在設(shè)計的時候一定要對天線耦合以及匹配這兩個問題進(jìn)行綜合考量。

2 S參數(shù)法基礎(chǔ)上的小型化MIMO天線設(shè)計

基于S參數(shù)法基礎(chǔ)上設(shè)計小型化MIMO天線時，針對天線的耦合情況，本節(jié)主要給出兩種設(shè)計方案進(jìn)行分析比較。第一方案中的去耦網(wǎng)絡(luò)主要由長度6mm傳輸線并聯(lián)1PF電容而組成。觀察得到的S參數(shù)曲線便可以得知，在增添去耦網(wǎng)絡(luò)之后，天線單元之間的耦合程度明顯從-4dB降低到了-20dB，但是從天線單元之間的匹配上來看，還是產(chǎn)生了良好的匹配效果。雖然增添去耦網(wǎng)絡(luò)能夠顯著提升天線單元間的隔離度，但是S參數(shù)曲線中的最大隔離度在17dB上下徘徊，不太符合天線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度對天線的影響后，能夠發(fā)現(xiàn)縫隙寬度明顯會影響到頻段內(nèi)的隔離度以及天線單元諧振頻譜。在縫隙寬度由1.0mm降到0.4mm的時候，諧振頻譜會經(jīng)歷從低頻到高頻的歷程，使得天線的特性趨于最佳。也就是說，地板上存在的公共電流可以成為增強(qiáng)天線單元間耦合的重要因素，因此可以通過改變地板電流分布的方式，降低小型化MIMO天線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天線的設(shè)計。

3 新型高隔離度小型化MIMO天線的設(shè)計

綜合第二節(jié)的分析可以得知改變地板電流能夠提升MIMO天線間的隔離度，所以本節(jié)要闡述建立在增添傳輸線，以及改動地板縫隙結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的新型高隔離度小型化MIMO天線。首先要在介質(zhì)板上添加兩節(jié)傳輸線、在地板上添加縫隙結(jié)構(gòu)，之后便可以發(fā)現(xiàn)傳輸線的長度、縫隙距離O點(diǎn)的距離都會影響到天線的隔離度。綜合上述分析，本節(jié)設(shè)計一款采用基于曲折形單極子天線的小型化雙頻MIMO天線，縫隙尺寸選為1.5mm×11mm。通過對天線結(jié)構(gòu)參數(shù)樣品進(jìn)行加工實(shí)測后，發(fā)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)分析結(jié)果能夠與實(shí)測結(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，天線的回波損耗超出了10dB,單元格力度也能大于15dB，說明天線信號具有較好的分集增益，此次小型化MIMO天線設(shè)計具備可行性。

結(jié)束語：綜上所述，隨著B3G、4G時代的深入發(fā)展，移動通信終端設(shè)備的發(fā)展極大的便捷了人們的日常生活，真正將世界各國的人們連接成了一個共同體。但是與此同時，也要看到頻譜資源緊張可能會導(dǎo)致的嚴(yán)重問題，繼而深入研究MIMO技術(shù)。小型化MIMO天線能夠?qū)o線通信系統(tǒng)的系統(tǒng)通信容量成倍的擴(kuò)展，恰好符合無限通信對于網(wǎng)絡(luò)大信道容量的研發(fā)需求。

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

[2]史超.無線移動終端的小型化MIMO天線的研究與設(shè)計[D].南京信息工程大學(xué), 2014.