高隔离度 MIMO 天线阵列设计研究

   高隔离度 MIMO 天线阵列设计研究

房志强

江苏长电科技股份有限公司，江苏省江阴市，214437

摘要：近年来，随着互联网的发展，4G技术已经全面普及，5G技术在商业化上也取得一定的进展，其技术的发展也是日新月异。而在5G技术中，为了更好的通信质量和更高的传输效率，多输入多输出（MIMO）技术成为了领域内的热点，而MIMO天线的研究与设计便是这一研究的基础。本文设计了一款主频点位于2.4GHZ的二端口微带天线，用以覆盖WLAN频段，实现基础的天线通信功能。

关键词：高隔离度;MIMO天线;阵列

1引言

当下社会的无线通信中，4G通信技术已经发展完善，而5G通信技术在商业化的进程上也有了相当大的进步，可是5G通信技术暂时还没有发展成人们一开始所设想的那般性能，还有较大的进步空间。人们一开始所设想的5G通信技术，主要具有三个特征：传播速度快、系统高效和资源节约。

首先，5G通信技术的通信速度会超越4G通信技术，更多的频谱资源将会被使用，弥补4G通信技术中的频谱资源不足的问题；其次，更新传统通信点对点模式，改用多对多传输，进一步提高系统性能；最后，通过实时根据用户使用通信资源的情况对通信资源进行分配，以使得资源利用率得到显著提高。

5G通信技术中的关键技术有：自组网技术、多天线技术、多载波技术和新网络架构技术。其中多天线技术即MIMO技术为在高通信速率下确保网络稳定性和网络安全性的重要技术。当下众多学者的研究以及应用实践都说明了MIMO技术具有极高的潜在信道容量可供开发，而MIMO技术需要突破的一个重点难点就在于如何设计一个好的微带天线，因为当下人们对于设备体积的追求，这对设计的天线的尺寸和数目做出了限制，而更近的天线间距离使得天线间的耦合和干扰问题变得更加严重。而且随着需求的增加，人们也希望同一款天线不仅能够支持移动通信，也能够支持WIFI、蓝牙等功能，这意味着设计的天线需要能够在多频段工作，这都是在设计微带天线时需要考虑的内容，也是微带天线设计的几个重要难题。

本文着力于研究的多端口微带天线设计具有十分重要的理论和实际意义。

2微带天线理论与设计参数

2.1微带天线基础原理

论文以微带天线的典型结构对微带天线的基础原理进行分析，模型中的参数为：贴片辐射器（辐射元）长为L，宽为W，介质板厚度为h，相对介电常数为。

首先以微带传输线模型对其进行原理性分析，沿着微带馈线输入的方向，可以绘制出微带线边缘的电场图，而在宽度W的方向上电场不会发生变化，在贴片下方的电场垂直于接地板，电场强度越贴近终端开路的缝隙越大，但是两边的电场一侧从贴片指向接地板，另一侧从接地板指向贴片，两者互相抵消，所以只需要分析边缘处弯曲的电场即可。通过矢量分解，可以将边缘处电场1的电场分为垂直向上和水平向右的分量，边缘处电场2的电场分量分为垂直向下和水平向右的分量，如图2.2所示：

(a) 边缘处电场1                (c) 边缘处电场2

图2-1 终端开路缝隙边缘电场分析

如果所制的矩形微带天线边缘平整且均匀，那么便可以将两侧的En分量抵消，而将两侧的Et分量进行积分，可以得到相应电场。

因此宏观来看，最终电场矢量积分的结果为垂直分量完全抵消，而平行电场分量等效为了两个辐射缝隙，并将电磁能量沿着微带法线方向进行传输，这就是微带天线的基础辐射原理。

具体地，从天线的一些参数来分析，因为天线工作时主模式为TM10模，又因为在设计天线的时候，希望天线能够在频点谐振，即在频点处天线的阻抗尽可能为纯电阻，而微带传输线会产生感容周期性变化，变化周期为半波长，因此在设计基本的矩形微带天线的时候，一般将有效贴片长度的参数取值取为半波长即

（2-1）

因为辐射缝隙的长度△L相比于贴片长度L很小（△L<为导波波长，这个参数与介质的介电常数和空气的介电常数有关，因为微带贴片的两侧分别为空气和介质板，所以这个与和有关的参数用来表示，根据经验公式，的计算方法为：

（2-2）

如果进一步具体化贴片的长度L，可以写出下式：

（2-3）

（2-4）

（2-5）

其中式（2-5）为经验式，通过计算，这样便能较为准确地确定一款基础的微带天线的相关设计参数，方便后续设计与调试了，但是如果设计诸如圆形、椭圆形、菱形和三角形这类其它形状的微带天线时，天线的计算方法就要做出其它改变。这里的方法仅适用于矩形，用以阐述原理，别的计算方法暂不做介绍。

2.2 天线基本参数介绍

作为通信设备的核心，天线性能的优劣直接影响了通信系统的通信效果和质量，为了衡量天线设计的好坏，人们制定了一系列的参数。

天线的基本参数的物理概念可以参考传输线理论，因为传输线上的阻抗不能直接测量，因此通常借助状态参量对天线的参数进行衡量，权衡诸多文献，文章引入如下核心参数。

① 输入阻抗Zi

天线的输入阻抗可以直接由输入电压Vi和Ii来计算，计算方式如下

（2-6）

    但是其物理意义比较丰富，因为在高频率电磁波的环境下工作，一个天线的输入阻抗Zi并不一定是不变的，很有可能会因为工作频率的变化出现感容性质的变化，因此特别需要注意输入阻抗的复数性质，可以结合史密斯圆图对其进行控制。

② 反射系数

天线的反射系数与天线的输入阻抗Zi和输入馈线的阻抗Z0有关，具体定义为

（2-7）

反射系数在二端口网络中可以用S11来取代，两者关系为

（2-8）

又因为在高频段的时候，天线的输入阻抗Zi难以测量，所以一般会利用反射系数来计算天线的输入阻抗。

③ 回波损耗RL

回波损耗可以直接对反射系数的模值进行对数运算取得，定义如下

（2-9）

其物理意义体现在天线与馈线不完全匹配时，用以衡量损失的能量，回波损耗越大，代表天线与传输线的匹配程度越好，RL取值在（0，∞）。

④ 电压驻波比VSWR

当传输的电磁信号无法完全匹配至设计的天线网络的时候，输入的电磁能量就会有一部分被反射回来，这种情况下一般引入电压驻波比来衡量这种情况的程度，电压驻波比的定义如下

（2-10）

电压驻波比的衡量与回波损耗不同，VSWR越大，代表天线的匹配程度越差，VSWR越小，代表天线的匹配程度越好。

在一般的应用中，人们对所设计的传输线和天线网络的电压驻波比有一定的要求，因为天线网络要尽可能谐振于频点，因此对工作频点处的S11有规定，在要求较高的应用中，S11需要小于-15dB，即电压驻波比VSWR小于1.43，而在要求较低的应用中，例如手机移动端的天线，S11要求小于-10dB，即电压驻波比需要小于1.92，这是在设计的时候需要考虑的。

3多端口MIMO天线的实现

本章主要介绍了设计目标中的基础2.4GHz MIMO微带天线的实现，还重点讲述了天线的优化过程和方法。

3.1 天线结构

本小节利用前面的知识，同时参考诸多国内外学者的文献，设计了一款用于覆盖WLAN 2.4GHZ的天线，结构如图3.1所示，其中图3.1-(a)是天线的正面，图3.1-(b)是天线的背面。

（a）天线正面                    （b）天线背面

图3.1 2-port单频单极子MIMO天线

为了方便天线的加工制作，论文仿真时选择了相对介电常数为4.4、正切角损耗为0.02的FR-4环氧树脂介质板，介质板大小为48mm×25mm×1.6mm，地平面的大小为33mm×25mm。

3.2 设计原型

图3.2为论文所设计的天线原型，图3.3为初始天线的仿真结果：

图3.2 基础MIMO天线模型

图3.3 基础天线S参数的仿真结果

从图3.3中可以看出，天线主频点存在偏离，且在设计目标上的工作频点处的谐振效果仍可优化，当前效果在-22dB左右，当前天线模型的谐振主频点位于2.34GHz，为了进一步优化天线的功能与效果，首先需要修改天线的参数。

3.3 优化方法

从上一节的设计效果来看，论文所设计的天线还有进步的空间，所以本节论文重点阐述如何修改天线的参数以使其获得最好的谐振效果。

论文首先需要修改天线的频点响应，将频点移动至论文的设计目标上，而修改频点的方法，根据图3.2可知，可以通过修改L1、L2和L3的长度来完成，而天线的谐振频点与天线的长度成反比，同时天线的尺寸也会影响天线在不同频点的谐振效果。

而天线参数优化因为变量较多，优化的方法分两种，第一种是根据L1、L2和L3来单独测试优化并逐一确定最优尺寸，第二种方法是在牺牲计算时间的前提下，将三个参数同时进行优化，但是计算量会大很多，且二者测试出的最佳尺寸并不一致，下面具体介绍优化方法。

3.3.1 逐个参数优化

（1）参数L1

在设计模型的时候，采用的是变量写入构建模型而非直接的常数构建模型，这样做的好处是可以在后期优化的时候通过修改参数的数据来对模型的尺寸进行直接修改。

首先需要修改天线的参数来看看天线是否在修改参数之后仍然是需要测试的模型，避免因为参数修改导致的模型出错，修改参数的标签如图3.4所示。

图3.4 HFSS的参数修改标签

图3.5 HFSS的参数修改栏

直接修改图3.5框内的参数即可完成对于天线模型的参数修改，在修改时注意单位要统一。

再检查完参数的范围，并确定参数可修改的最大值与最小值之后，便可通过HFSS自带的参数优化功能来对设计的天线尺寸进行优化了，参数优化功能位置如图3.6所示：

图3.6 HFSS的参数优化标签

选择后点击“add”，再选择需要优化的参数，写入范围和步长即可。通过上述步骤，设置天线的尺寸L1优化范围在1mm~15mm之间，优化之后的结果如图3.7所示，在这里为了展示直观，只保留了几项较为有意义的数据。

图3.7 L1参数优化结果

从图3.7中，可以发现，天线的尺寸越长，谐振响应的频率就越低，这与之前的结论是一致的，在这里论文做了验证。

根据图3.7的结果，同样发现，并没有哪个尺寸直接落在了2.4GHz，理论上不断优化天线的L1尺寸，最终能够实现其主频点位于2.4GHz，但是实际加工上存在加工误差，因此继续优化L1的尺寸来优化主频点的实际工程意义并不大，应当在这些尺寸中选择一个较为合适的尺寸即可。

谐振效果最好的尺寸为L1=1.5mm，但是天线的主频点却并不准确，位于2.54GHz，主频点较为接近的尺寸为L1＝3mm，因此确定L1优化完的尺寸为3mm。

（2）参数L2

参数L2的优化方法与L1一样，论文选择L2的优化范围为2mm~6mm，筛选有意义的曲线后，结果如图3.8所示：

图3.8 L2参数优化结果

同样地，可以发现，虽然L2=4.5mm时天线的谐振效果更好，但是其在2.4GHz时的天线的响应与尺寸L2=5mm时一致，而且其频点偏移更严重，因此在这里论文选择天线的参数L2=5mm。

（3）参数L3

天线的尺寸L3可变化范围较大，论文选择范围在3mm~20mm的范围进行优化，最终输出结果如图3.9所示：

图3.9 L3参数优化结果

    参看图3.9，综合主频点位置与2.4GHz频点处的谐振效果，可以发现L3=5mm时效果最佳，因此论文在这里选择L3=5mm。最终天线的参数论文选择为L1=3mm，L2=5mm，L3=5mm。

最终尺寸的天线的响应如图3.10所示：

图3.10 方式1优化天线部分参数结果

可见，此时设计的天线仍然存在主频点偏移的问题，可见逐个优化参数的仍有一定的缺陷，因为适当地综合这些参数其实可以使得天线的表现效果更加优秀，而一旦逐一确定了各个参数，意味着之前的参数不能改变，这便丧失了综合优化尺寸的优势，接下来论文介绍第二种方法。

3.3.2 同时优化

    另一种方法是通过牺牲计算的时间来提高天线的效果和精度的，需要做的是在HFSS的参数优化功能中同时键入多个参数进行计算，因为计算量往往上百，因此不便于直接展示，同样地论文筛选了更有意义的参数，并将其标粗，结果如图3.11所示：

图3.11 同时优化天线部分参数的结果

同样地，可以综合主频点位置与2.4GHz处的响应情况，确定天线的尺寸，论文在这里确定方法二设计的天线的参数为：L1=1mm，L2=4.4mm，L3=8.5mm。

为了更加清晰地对比两种方式设计的天线的结果，论文综合两种天线的响应图进行对比，如图3.12所示：

图3.12 两种方式优化结果对比图

    可见，无论从主频点位置，还是在2.4GHz处天线的响应，第二种方法优化后的参数都具有更优秀的效果。

3.4 天线效果分析

目前设计并优化后的天线的结构如图3.13所示，其响应S参数如图3.14所示：

图3.13 优化后的基础天线的俯视图

图3.14 优化后的基础天线的S参数

    可见天线隔离度和谐振频点都基本满足要求了，但是除了进一步优化隔离度以外，同样需要查看天线的辐射状况，是否是将送入的能量都往期望的方向辐射了，因此论文给出天线的远场区辐射图以及方向增益图如图3.15和图3.16所示，同时为了便于观察给出天线的立体模型图3.17：

图3.15 基础天线远场辐射图

（a）XOZ截面                        （b）YOZ截面

图3.16 基础天线的方向增益图

图3.17 优化后的基础天线的三维图

为了使得天线的辐射状况更加接近于常规工作时的状态，在此将两个端口都叠加了场源输入（波端口），而不是单端口激励，虽然会对天线的辐射场图造成一定影响，但双宽口激励并不会改变天线的S参数，基本满足设计要求。

4结语

MIMO技术作为未来通信技术中信号传输技术的主流，通过分集的方法，划分出更多的子信道，从而提高了信道容量，进而提高频谱资源的利用效率，在未来MIMO技术也将得到更多的发展，届时MIMO天线的设计也会有更加丰富的形式与更加优秀的性能。而与MIMO技术相对应的便是对抗密集信道的干扰，对抗干扰天线责无旁贷，端口间的隔离度优势重中之重，为了提高隔离度，人们提出了不同的措施，论文也对这些措施进行了简单的总结与分析，并将方法应用于论文中天线的设计，并最终设计了一款拥有较好性能的MIMO天线。本文先设计了一款基本的2.4GHZ MIMO天线，分析其参数后，修改其各个尺寸，使天线的基本参数和主频点满足基本设计目标。

参考文献

[1]庄华伟,庄俊杰,李飞,刘长勇,栾春芳.双频宽带MIMO天线设计[J].山东建筑大学学报,2023,38(02):79-85.

[2]刘正华,李栓柱,崔荣梅,杨志华.5G中MIMO天线和辐射功率关系的探究[J].数字通信世界,2023(01):33-35+39.

[3]宫雨. 面向超大规模MIMO的天线选择与符号级预编码联合设计方法研究[D].南京邮电大学,2022.

[4]吴朝武. B5G系统中的下行MIMO无线传输新技术研究[D].电子科技大学,2022.