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一款紧凑型超宽带MIMO天线设计王友保;饶跃飞;杨健【摘要】提出并设计一款使用相互垂直解耦结构的紧凑型超宽带MIMO天线.天线由4个耳朵型的平面单极子天线单元组成.在地板上延伸出的带有平行金属带的倒L型枝节,能够拓展天线的带宽,同时改善天线端口间的隔离度.仿真和测试的结果表明天线在3.1～10.6 GHz的带宽内隔离度在-20 dB以下.同时给出了天线的增益、效率、辐射方向图和相关系数.%Compact UWB-MIMO antenna with mutually perpendicular decoupling structure was proposed.The antenna consistedof four ear-like planar monopole antenna elements.By adding the inverted L-shaped structure with the parallel strips in the ground,its bandwidth was greatly widened.At the same time,the isolation between the antenna ports was increased,too.The simulation and measurement results showed thatthe return losses and the isolations of the designed antenna all werebelow-10 dB and-20 dB across the UWB of 3.1-10.6GHz,respectively.Furthermore,gains,radiation efficiencies,the radiation patterns and the correlation coefficients were presented.【期刊名称】《安徽大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(041)005【总页数】6页(P46-51)【关键词】超宽带天线;解耦;倒L型结构【作者】王友保;饶跃飞;杨健【作者单位】南京信息工程大学应用电磁学研究中心,江苏南京210044;南京信息工程大学应用电磁学研究中心,江苏南京210044;南京信息工程大学应用电磁学研究中心,江苏南京210044【正文语种】中文【中图分类】TN827Abstract:Compact UWB-MIMO antenna with mutually perpendicular decoupling structure was proposed. The antenna consisted of four ear-like planar monopole antenna elements. By adding the inverted L-shaped structure with the parallel strips in the ground, its bandwidth was greatly widened. At the same time, the isolation between the antenna ports was increased, too. The simulation and measurement results showed that the return losses and the isolations of the designed antenna all were below -10 dB and -20 dB across the UWB of 3.1-10.6 GHz, respectively. Furthermore, gains, radiation efficiencies, the radiation patterns and the correlation coefficients were presented.Keywords: ultrawide band antenna; decoupling; inverted L-shaped structure伴随着无线数据业务(如无线多媒体局域网、无线传感网、智能运输系统等)的蓬勃发展，超宽带技术以其传输速率高、频带宽、功耗低的优势，引起了人们的广泛关注.但是，由于周围环境越来越复杂、拥挤，使得信号多径衰落现象越来越严重.幸运的是MIMO技术可用来抑制信道衰落，在不增加天线的带宽和发射功率的前提下，能成倍地提高频谱利用率和无线信道容量[1-3].因此，超宽带技术与MIMO 技术的结合成为当前研究热点之一.科研人员已经设计了大量的超宽带MIMO天线，主要在于缩小天线尺寸，降低天线之间的相互耦合.文献[4]设计了一款超宽带半环形MIMO天线，并提出用叉形地面延伸枝节来获得高隔离度.文献[5]提出了一款有分集特性的超宽带MIMO天线，通过两个天线单元正交放置获得了较好的隔离度.文献[6-10]中，设计的几款超宽带MIMO天线均是通过增加金属带来获得高隔离度.文献[11-12]中，两款超宽带MIMO天线则是采用在地板上蚀刻缝隙来降低耦合.在笔者的设计中,拟采用地面延伸出来的两个相互垂直的倒L型枝节来改善隔离度，同时地板枝节的一部分位于天线单元的正下方，与天线单元形成双面双带线结构，双带线之间的耦合起到拓展带宽的作用，可以在不改变隔离度的情况下，通过改变耦合的相对面积来调整天线带宽.倒L型枝节上延伸出的金属带在不影响带宽的前提下，进一步改善了天线的隔离度.天线结构如图1所示.图1中，耳朵型平面单极子对称放置于尺寸为72 mm×36 mm×0.8 mm的FR4基板上，基板相对介电常数为4.4，损耗正切为0.02.从地板延伸出的倒L型枝节改善了天线端口之间的隔离度，倒L枝节与天线单元形成双面双带线结构，通过耦合改变了天线单元的电流路径，拓展了天线的带宽，从倒L 型枝节延伸出的金属带进一步改善了隔离度.在地板上蚀刻4个矩形的缝隙，减小了表面电流的耦合.表1为天线的具体参数.天线实物如图2所示.使用安捷伦N5227A网络分析仪对该天线进行了测试，图3给出了测试出的天线S参数.由图3可知，天线频率在3.1～10.6 GHz时具有良好的阻抗匹配特性和隔离度.考虑到天线单元的对称性，从其中任一个单元的性能可以类推出其他单元的性能，因此这里仅给出单元1的S参数.倒L枝节的长边与辐射单元形成双面双带线，可产生互耦.W9作为重要的设计参数，其变化对天线的影响如图4所示.图4只给出了对天线单元1和2隔离度的影响，没有给出单元3和4的情况(这是因为天线单元3和4与上面的两个天线单元空间相距甚远，且被地板上4个缝隙隔开，天线单元3和4具有单元1和2类似的性能).由图4可见，随着W9的增加，天线的低频带宽明显增大，而天线的高频部分几乎未受影响.其原因可结合图1a和图2看出，W9的增加将造成地板枝节与辐射单元间耦合面积增大，谐振电流的回路从而变长，对应的谐振频率变低，相应提高了天线在该频点上的辐射强度，减小了天线在该频点上的回波损耗.W9的增加对天线单元1和2之间的隔离度影响较小，天线单元1和2的隔离度在整个UWB频带上仍小于-20 dB.地板分布电流是引起MIMO天线互耦的重要原因之一.图5给出了天线在谐振频点为3.5，9 GHz时的表面电流分布.从图5a到图5b的变化中可知，加入两个倒L 型结构后，两个倒L枝节上的电流流向趋于正交，天线间的耦合电流被削弱，阻抗匹配得到改善，这些优点在低频部分尤为明显.从图5b到图5c的变化中可知，加入金属带之后，耦合电流的强度进一步减弱，阻抗匹配更好，高频部分的效果更佳.为了改善端口1和端口4，端口2和端口3之间的隔离度，在地板上蚀刻4个尺寸相同的缝隙，作用类似于带阻滤波器 [13],将地板电流聚集于缝隙周围，能够减小地板表面电流对于天线的影响，效果在低频部分尤为明显.图6给出了有无缝隙对天线单元间S参数的影响.图7给出了天线端口1被激励，其他端口接50 Ω匹配负载时，天线在谐振频点为4 GHz和9 GHz时xoz面和yoz面的辐射方向图.由图7可知，仿真和实测的方向图具有良好的一致性.图8给出了4单元天线的峰值增益.由图8可知，随频率升高4单元天线的增益由1.5 dBi增至6.5 dBi.图9为4单元天线的辐射效率.由图9可知，天线的最低效率为55%，绝大部分效率都在80%以上，实现了良好的辐射能量转换，充分满足了无线设备的要求.相关系数表示来自不同信道接收信号时间序列的相关性，是衡量MIMO天线是否适用于MIMO系统的重要参数.相关系数的表达式[14]为图10为4单元天线的相关系数.由图10可见，天线单元间的相关系数远远小于0.5，表示天线具有良好的分集性能.笔者设计并制作了一款紧凑型超宽带MIMO天线，通过使用倒L型地板枝节使地板表面电流趋于正交来降低耦合，使用金属带以及矩形缝隙来提高天线的隔离度.该天线结构简单、易于制作，实现了良好的分集性能，可应用于超宽带的无线局域网.【相关文献】[1] FOSCHINI G J, GANS M J. On limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas[J]. Wireless Personal, 1998, 6 (3): 311-335. [2] 周杰, 王亚林, 菊池久和. 基于信道模型的MIMO多天线系统性能研究[J]. 安徽大学学报 (自然科学版), 2015, 39 (1): 60-67.[3] 周杰, 江浩. 室内外非对称信道模型及其MIMO研究[J]. 安徽大学学报 (自然科学版), 2013, 37 (5): 51-59.[4] DHAR S K, SHARAWI M S. A UWB semi-ring MIMO antenna with isolation enhancement[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2015， 5 (8): 1941-1946. [5] ZHANG S, LAU B K, SUNESSON A, et al. Closely-packed uwb mimo/diversity antenna with different patterns and polarizations for usb dongle applications[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation 2012, 60 (9): 4372-4380.[6] GAO P, HE S, WEI X, et al. Compact printed UWB diversity slot antenna with 5.5 GHz band-notched characteristics[J]. IEEE Antennas Wireless Propagation Letters, 2014, 13: 376-379.[7] ANTONINO-DAVIU E, GALLO M, BERNARDO-CLEMENTE B, et al. Ultra-wideband slot ring antenna for diversity applications[J]. Electronics Letters, 2010, 46 (7): 478-480.[8] LIU Y F, WANG P, QIN H. Compact ACS-fed UWB antenna for diversity applications[J]. Electronics Letters, 2014, 50 (19): 1336-1338.[9] ZHANG S, PEDERSEN G F. Mutual coupling reduction for UWB MIMO antennas with a wideband neutralization line[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2016, 15: 166-169.[10] LI J F, CHU Q X, LI Z H, et al. Compact Dual band-notched UWB MIMO antenna with high isolation[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2013, 61 (9): 4759-4766.[11] REN J, HU W, YIN Y Z, et al. Compact printed MIMO antenna for UWB applications[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2014, 13: 1517-1520.[12] ZHANG S, ZETTERBERG P, HE S. Printed MIMO antenna system of four closely-spaced elements with large bandwidth and high isolation[J]. Electronics Letters, 2010, 46 (15): 1052-1053.[13] LI H, XIONG J, HE S. A compact planar MIMO antenna system of four elements with similar radiation characteristics and isolation structure[J]. IEEE Antennas Wireless Propagation Letters, 2009, 8: 1107-1110.[14] BLANCH S, ROMEU J, CORBELLA I. Exact representation of antenna system diversity performance from input parameter description[J]. Electronics Letters, 2003, 39 (9): 705-707.。
四元超宽带高隔离MIMO槽天线的设计
舒海峰;杜成珠;杨福慧
【期刊名称】《压电与声光》
【年(卷),期】2024(46)1
【摘要】提出了一款基于FR4的共面波导(CPW)馈电四元超宽带(UWB)高隔离MIMO天线。
该天线由4个单元槽天线组成,天线尺寸为65 mm×65 mm×0.8 mm。
通过采用缺陷地结构和切角的方式实现了天线的超宽带特性。
单元天线相互垂直放置实现了极化分集,同时在天线中间加载隔离栏栅结构,增加了天线的隔离度。
对天线进行加工测试,测试结果能覆盖2.86~11.1 GHz并在频段内隔离度大于20 dB,天线具有高隔离、超宽带和较低的包络相关系数(ECC<0.006)的特点。
天线采
用(CPW)的馈电形式,更易应用于集成电路中,适用于各种超宽带系统。
【总页数】5页(P103-107)
【作者】舒海峰;杜成珠;杨福慧
【作者单位】上海电力大学电子与信息工程学院;中电科微波通信(上海)有限公司【正文语种】中文
【中图分类】TN822
【相关文献】
1.一种CPW馈电的高隔离度超宽带MIMO天线设计
2.一种高隔离度的缝隙型超
宽带MIMO天线设计3.CPW馈电的高隔离度超宽带MIMO槽天线设计4.应用于5G的高隔离宽带MIMO手机天线设计
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紧凑型MIMO天线的设计与研究随着无线通信技术的快速发展，多输入多输出（MIMO）技术已成为提高无线通信系统性能的关键技术之一。
在MIMO系统中，天线的设计对于系统的性能至关重要。
本文将介绍一种紧凑型MIMO天线的优化设计方法，并分析其性能影响。
在传统的MIMO天线设计中，通常采用的天线阵列是均匀线阵列，这种阵列具有实现简单、易于配置等优点，但在某些情况下，这种阵列并不利于实现较高的空间复用增益。
针对这一问题，本文提出了一种紧凑型MIMO天线的优化设计方法。
本文所提出的紧凑型MIMO天线设计，其主要思想是通过将多个天线单元集成在一起，以减小天线阵列的尺寸。
同时，为了确保天线阵列的性能，需要优化天线单元之间的间距和排列方式。
本文采用遗传算法对天线单元的位置和取向进行优化，以实现最佳的性能。
通过仿真分析和实际测试，本文发现，紧凑型MIMO天线在空间复用增益、辐射覆盖范围以及信号质量等方面均优于传统的均匀线阵列。
由于该天线的紧凑型设计，使得天线阵列更容易集成到各种移动设备中，具有广泛的应用前景。
本文主要研究了紧凑型MIMO天线的优化设计方法，通过采用遗传算法进行天线单元的优化布局，实现了高性能的紧凑型MIMO天线。
该研究对于未来无线通信系统的设计具有一定的参考价值，并为高频、高集成度无线通信系统的实现提供了一种可行的解决方案。
在未来的研究中，我们将进一步探索更加高效的天线优化算法，同时研究如何将该方法应用到更多复杂的天线阵列结构中，以进一步提高无线通信系统的性能。
我们还将研究如何将该技术应用于其他类型的无线通信系统中，如毫米波、太赫兹等高频段通信系统，以推动无线通信技术的进一步发展。
随着无线通信技术的快速发展，多输入多输出（MIMO）系统已成为研究的热点。
MIMO系统通过在发送端和接收端使用多个天线，可以实现更高的数据传输速率和更可靠的通信。
本文将从MIMO系统天线单元设计和阵列设计两个方面，阐述其相关原理和研究现状，并探讨未来的创新点和挑战。
