（中國(guó)傳媒大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100024）

1 MIMO技術(shù)

多輸入多輸出（multi-input multi-output，MIMO）是指在發(fā)射端和接收端同時(shí)使用多個(gè)天線來(lái)通訊的一項(xiàng)技術(shù)，它的實(shí)現(xiàn)方法之一是極化分集。學(xué)者們發(fā)現(xiàn)共址正交的電偶極子和磁偶極子可以獲得兩個(gè)獨(dú)立的通道，即實(shí)現(xiàn)雙極化。Roy B. V. B.Simorangkir等人設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在2.45 GHz和5.8 GHz的天線，它有兩種正交的輻射模式TM11和TM02，其中TM11是微帶天線的輻射模式，TM02是類(lèi)似單極子的輻射模式。

2 三極化天線

在雙極化的基礎(chǔ)上，學(xué)者們更進(jìn)一步，開(kāi)始研究三極化天線。N. K. Das等人設(shè)計(jì)了一個(gè)由雙極化圓形貼片和單極子組成的三極化天線，它先通過(guò)在X、Y軸上激勵(lì)微帶天線實(shí)現(xiàn)雙極化，再在Z軸加載單極子，構(gòu)成與X、Y軸正交的第三極化。樸大志教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種工作在3.5GHz的單層三極化天線。

本文基于文獻(xiàn)[3]的設(shè)計(jì)思路，提出一種基于微帶天線的工作在毫米波頻段（28GHz）的三極化MIMO天線。

3 三極化毫米波MIMO天線

本文所述天線由HFSS繪制和仿真。如圖1，圓形金屬貼片r=4.7mm，印制在位于xoy面的εr=2.2的介質(zhì)Rogers 5880上，天線剖面厚度h=0.254mm。6個(gè)金屬通孔穿過(guò)介質(zhì)板連接貼片和地板，通孔半徑r0=0.2mm，通孔到貼片中心的距離d=3.6mm。天線通過(guò)三個(gè)SMA接頭同軸饋電。

圖1 天線的設(shè)計(jì)模型

當(dāng)端口1激勵(lì)時(shí)，產(chǎn)生全向輻射，等效于沿Z軸放置的電偶極子，電場(chǎng)在通孔內(nèi)外側(cè)反向，極化方向沿Z軸，是單極子天線的TM02模式，參見(jiàn)圖2。當(dāng)端口2或3激勵(lì)時(shí)，是微帶天線的TM11輻射模式，電場(chǎng)以貼片直徑為界分成兩個(gè)相反的方向，極化方向分別沿X軸和Y軸。由于2和3端口完全對(duì)稱(chēng)，激勵(lì)效果一致，故本文只列出端口2激勵(lì)的結(jié)果，見(jiàn)圖3。

圖2 端口1激勵(lì)時(shí)的（a）電場(chǎng)圖，（b）xoy面方向圖，（c）yoz面方向圖

圖3 端口2激勵(lì)時(shí)的yoz面方向圖

由圖4可以看出，雙端口激勵(lì)時(shí)，天線能在同一頻率下工作，端口1的阻抗帶寬為27.15GHz—28.41GHz，端口2的帶寬為27.40GHz—28.86GHz。

圖4 S參數(shù)

通過(guò)仿真，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了同一頻率下的單極子輻射以及兩個(gè)正交微帶天線輻射，相當(dāng)于一個(gè)豎直極化的電偶極子和兩個(gè)水平極化的磁偶極子。具體來(lái)說(shuō)，就是當(dāng)端口1、2、3分別激勵(lì)時(shí)，可以相應(yīng)地獲得Z極化、X極化和Y極化的電磁場(chǎng)，即利用多個(gè)模式完成極化分集的三極化MIMO天線設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過(guò)極化分集為毫米波MIMO天線提供了解決方案。理論上，3個(gè)正交的電偶極子和3個(gè)正交的磁偶極子一共能提供6個(gè)空間自由度，即六極化。在5G通信呼之欲出的今天，可以成倍提高信道容量的MIMO技術(shù)，在通信領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)會(huì)更加突出，勢(shì)必引領(lǐng)一代研究熱潮。