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1、基于改进型中和线的MIMO天线设计0引言随着通信技术的迅猛发展，用户对移动通信系统的性能、频谱的利用率提出了更高的要求，且不断追寻移动设备的小型化与便携性多入多出(MultipleInputMultipleOutput，MIMO)天线适用于多频段的无线通信，但是由于手机空间较小，天线单元之间存在不可避免的耦合作用，使得MIMO天线单元之间的相关性较大1，削减了MIMO天线在提高信道容量上的优势。近年来，国内外大量专家学者对MIMO天线进行了研究，主要的研究方向是MIMO天线单元间的去耦。引入地板缝隙是去耦方法中最简单、最有效的，且容易加工制作，其去耦原理主要是通过减小天线单元之间的传播信号波长
2、来减小单元之间的相关性2-3。文献4提出一种U型宽带MIMO天线，采用引入地板缝隙的方法，在2.4GHz6.35GHz工作频带内的MIMO天线隔离度能够达到-20dB。文献5中提出的超宽带带阻MIMO天线引入了T型枝节结构，该结构耦合到天线单元2的电流与天线单元1耦合到天线单元2的电流相位相反，相互抵消，减弱了天线单元间相关性6-7。同样，在MIMO天线中引入寄生单元8进行去耦与加载T型地板枝节的去耦原理相似。文献9中提出的天线采用了引入寄生单元的方法进行去耦，工作频段覆盖了2.4GHz2.5GHz和5.15GHz5.825GHz两个频段，且具有良好的隔离度。文献10提出了一种基于槽天线的小型
3、化超宽带MIMO天线，采用在地板上开槽和方向图分集的方法，天线在3.1GHz7GHz频段内S12<-10dB，在7GHz11GHz频段内S12<-25dB，实现了天线的高隔离度。中和线技术是2006年提出的一种解耦技术，通过引入一条电流路径以抵消在相邻单元上的表面波耦合，实现MIMO天线的去耦。文献11提出的超宽带MIMO天线通过引进宽带中和线，降低了天线单元耦合，设计出的MIMO天线在3.1GHz5GHz处隔离度达到-22dB。中和线的长度、变形对天线的隔离度也有较大的影响。文献12提出的天线采用了两根不同长度的中和线，通过联合解耦的方式，在反射系数-6dB的标准带宽下，实现了多
4、个不同宽频带范围内的解耦。文献13设计的中和线采用多重折叠结构，介质基板底部中和线折叠14次，顶部折叠了20次，实现了天线的解耦。但是，上述提出的两种中和线的物理总长度都比较长，且文献13中的解耦结构比价复杂，这在一定程度上增加了天线设计的复杂度以及实物加工的成本。本文通过在地板上放置两个天线单元结构，单元之间用金属中和线进行连接，并在中和线上加载集总电感元件，对其进行了改进，同时利用在地板上加载T型地板枝节，实现了MIMO天线的去耦。最后，在仿真优化的基础上，对天线进行了实物的加工和测试，实物测试结果与仿真结果基本一致。1天线设计本文提出并设计了一款具有较高隔离度的MIMO手机天线，其主要采
5、用耦合馈电技术和带阻匹配电路加载技术来实现，满足S11<-6dB，S21<-10dB，工作频段为824MHz960MHz和2300MHz2600MHz。1.1天线结构设计所提出的MIMO天线具体结构如图1所示，由两个中心对称的天线单元构成，中间通过U型中和线进行连接，每个天线单元结构的尺寸为10mm×22mm，天线总占有的尺寸为10mm×60mm。该天线印刷在介电常数为4.4的FR-4介质基板上，基板尺寸为120mm×60mm×0.8mm。在天线的地板中间加入T型枝节，用来提高MIMO天线的隔离度。该天线采用了50Ω同轴线
6、馈电的激励方式。1.2MIMO天线的构成所设计的MIMO天线采用耦合馈电方式，通过带阻电路和馈电线结合组成直接馈电部分，两个天线单元之间的距离只有16mm。图2给出的是天线和每个单元的具体几何形状和尺寸。天线结构各部分的尺寸具体参数如表1所示。其中A1A4是电感，C1是电容。耦合馈电部分由短路线和集总元件组成，天线结构图2(d)的馈电线直接产生高频(2300MHz2600MHz)，低频(824MHz960MHz)由图2(b)中的带阻电路和耦合馈电线共同作用产生。用于连接两个天线单元的U型金属线长度为50mm，该长度远远小于低频谐振点的长度，微带金属线加入的目的是实现在低频段去耦。天线的背面加入
7、了T型地板枝节，如图2(c)所示，该结构主要是用于降低两个天线单元在高频段的耦合度。由于手机设备对天线尺寸要求的限制，为了能够覆盖GSM850/900MHz的工作频带，该天线在馈电端口额外增加了一个带阻匹配网络，结构如图2(b)所示，带阻匹配电路的加入改善了天线的阻抗匹配。1.3天线的去耦所设计的MIMO天线要求天线单元之间的耦合较小，因此采用U型中和线的方式进行去耦。利用中和线去耦的方法能够在保持原有天线尺寸的基础上，有效地减小低频处的耦合。但是，在天线单元之间放置中和线时，其位置是难以确定的，这也是MIMO天线设计的难点。本文所设计的天线采用的是U型中和线结构，尺寸大小为50mm&time
8、s;0.5mm，并对其进行了改进，在中和线的中间位置加载大小为15nH的集总电感，用于提高天线单元间的隔离度，也缩短了中和线的物理长度。2仿真结果分析2.1MIMO天线隔离效果分析隔离度是衡量MIMO天线性能的重要指标之一。该天线采用了T型地板枝节和中和线去耦的方法来提高天线单元间的隔离度。T型地板枝节的作用主要是降低天线在高频段的隔离度，该结构能够使天线单元之间产生两个相位相反的电流，相互抵消，从而提高天线的隔离度。中和线的加入主要是用于降低天线在低频段的耦合。这里主要考察在改进型U型中和线上加载的集总电感A2对天线隔离度的影响。如图3所示，A2取值的增大对天线在低频处S参数基本没有影响。图
9、3(b)S21曲线中，A2增大时，天线在高频部分的隔离效果逐渐变差。根据仿真优化结果图，当A2的取值为15nH时，天线在覆盖频段内的去耦效果最佳，隔离度能基本达到天线的设计要求。将所设计的MIMO天线分别与两个参考天线进行S参数的对比，分析隔离性能的好坏。其中，参考天线1未加T型地板枝节和U型中和线，参考天线2未加U型中和线，3种天线的S参数曲线对比如图4所示。参考天线1的S参数在高频处只有一个谐振点，且频带的范围相对较窄，隔离度在-7dB左右。参考天线2的S参数频带向左平移了一段距离，但整体对低频段的影响不大，天线的隔离度仍达不到理想情况。设计的MIMO天线在低频段和高频段内的隔离度都能达到
10、-10dB以上，隔离效果与两个参考天线相比，都有所提高，且天线能够覆盖824MHz960MHz和2300MHz2600MHz两个频段。天线结构上的电流分布能很好地体现中和线的去耦效果。天线工作在850MHz时，电流分布情况如图5所示。在加入U型中和线之后，左边的天线单元电流强度减弱，传到右边天线单元的电流也得到了削弱。在不增加中和线结构时，天线在低频段的隔离度约为7.5dB，在加入U型中和线结构之后，两个天线单元之间的隔离度提高了3dB左右，低频段天线单元之间的相关性明显减小。该MIMO天线由于U型中和线的加入，在低频部分达到了去耦的效果。2.2天线辐射方向图天线辐射方向图也是衡量天线性能的重
11、要指标之一，本文对设计的MIMO天线进行了方向图仿真，图6为该天线在xoz面和yoz面的方向图，竖轴代表该天线在不同方向上的增益。从图6中可以看出，在850MHz的工作频率时，该天线在xoz平面的辐射方向图呈现∞型，与单极子天线的辐射方向图近似。当天线工作在2500MHz时，天线的辐射模式呈现多样性。在方向图中，Eθ和Eφ的大小基本相同，所设计的天线具有良好的稳定性。3天线实物加工测试结果本文在应用电磁仿真软件HFSS设计和仿真MIMO天线的基础上，对天线进行了加工制作，图7所示为天线的加工实物图。对该MIMO天线的加工实物用矢量网络分析仪进行测试，测试结果如图
12、8所示。从实际测试结果和仿真结果来看，S参数在天线所需要覆盖的频段范围内走向基本一致，在低频824MHz960MHz和高频2300MHz2600MHz内分别满足S11<-6dB，S21<-10dB。但是，在其他频段内，实际测量结果与仿真结果有一定的差距。误差产生的主要原因是天线结构中的带阻匹配电路、中和线的电容和电感在焊接的过程中容易引起误差。其次，电容电感的大小本身也存在一定误差，且同轴线在加工过程中会有所损耗。同时，在电容和电感的焊接过程中，焊锡的多少也会造成误差的产生。4结论本文提出并设计了一款利用改进型中和线方法去耦的MIMO手机天线。在MIMO天线的去耦方面，该天线通过在两个天线单元之间加入中和线，并在中和线上加载集总电感元件进行改进，成功实现了天线的去耦，并使天线得到小型化。同时，所设计的天线拥有突出的地平面，可以在上面安装其他元器件，节约手机主板的空间，使实体天线的结构更为紧凑。天线实物测试的结果进一步证明该天线具有良好的工作性能，基本符合了手机天线的设计要求。1