一种多频高隔离度mimo天线设计

一种多频高隔离度mimo天线设计

1微带天线多频技术无线通信技术在信息社会中发挥着重要作用，天线作为无线通信系统的重要组成部分。对于现阶段无线通信设备趋近于高速率、多功能的趋势，对适用于无线通信系统的天线也提出了多端口、多频段、高隔离度以及能够发射和接收来自空间不同方位信号等要求对于微带天线多频技术，主要采用加载技术、多层技术等，王腾等人采用双U形槽加载技术，实现1.89GHz、2.43GHz、3.52GHz、5.25GHz的四频微带天线为了解决多频MIMO的强互耦特性，设计了一种回波损耗低、辐射特性好、隔离度高、结构简单易加工，可很好应用于多频通信系统的高隔离度MIMO天线2微带天线的仿真优化本文设计的多频天线单元属于侧馈微带单极子天线，多频微带单极子天线单元如图1所示，设计的辐射贴片为多边形对称框式结构，该框式结构可以工作在2.4GHz和5.6GHz附近，其弯折角度采用渐变形式能够更好的实现阻抗匹配。内部中心加载的微带枝节能够实现多频谐振特性，由此实现3.2Ghz附近的谐振特性。内部中心加载的微带枝节与外部多边形框式结构之间存在一定的耦合缝隙，通过控制耦合缝隙的尺寸，能够改善天线在三个频段的辐射性能，特别是中间频段3.2Ghz附近的辐射特性。介质基板下表面的背面地采用等腰梯形结构，其倾斜渐变的腰可以进一步提高天线三个频段的阻抗匹配性能，从介质基板的一侧馈电，辐射贴片接50欧同轴线内芯，背面梯形金属地接50欧同轴线外屏蔽层。介质基板的材质可采用价格较低的FR4来实现天线的低成本特性。微带天线可以采用腔模理论进行分析，将微带天线看做一个介质加载的谐振腔式中h为介质基板厚度，L为天线辐射单元的长度，W为天线辐射单元的宽度，为基板介电常数，m、n、p分别对应h、L、W三个方向的谐振模数，在此只考虑L方向的谐振模数n。当天线工作在2.4GHz附近时，其电流分布主要在外围的对称多边形框式结构，其谐振频率计算公式近似为：式中谐振长度L近似为(L2-L4)(L2-L4+W2/2)。当天线工作在3.2GHz附近时，其电流分布主要集中在内部加载的微带枝节，其谐振频率计算公式近似为：式中谐振长度L近似为(L3-L4)(L3-L4+(-2)r),其中r为内部加载枝节顶部圆的半径；当天线工作在5.6GHz附近时，其电流分布主要在外围的对称多边形框式结构，在L方向谐振模数n为2，其谐振频率计算公式近似为：受内部加载枝节的耦合对消作用，式中谐振长度L略小于(L2-L4)(L2-L4+W2/2)。仿真优化得到单极子微带天线的回波损耗小于-10dB的第一个频带为2.34GHz～2.55GHz，第二个频带为3.10GHz～3.37GHz，第三个频带为5.38GHz～5.82GHz，如图2所示：对于四分之一波长的近地垂直微带单极子天线，当接地板尺寸较小时，在谐振频段内能够实现全向辐射，如图3和图4所示，天线在2.4GHz工作时能够较好的实现全向辐射，最大增益为2.21dBi。如图5和图6所示，天线工作在3.2Ghz时，最大增益2.61dBi，相比2.4GHz来说，其H面稍微扁一点，辐射能量在天线上下两面比较集中，因此最大增益比较高；如图7和图8所示，天线工作在5.6GHz时，最大增益4.82dBi，相比2.4GHz和3.2GHz，其E面稍微变形，能量往一侧集中，最大增益比两个低频点高一些。由此可见该单元天线在三个工作频段内均有较好的全向辐射特性。3天线的运行效果如图10天线隔离度对比示意图所示，加载三叉隔离条及沙漏形隔离框之后，天线隔离度在所有工作频段均有提升，在第一个频段2.34GHz～2.55GHz内最大提升9dB，在第二个频段3.10GHz～3.37GHz内最大提升8dB、在第三个频段5.38GHz～5.82GHz内最大提升2.5dB。天线在三个频段内的隔离度最低达到20.5dB，大部分均在25dB以上，能够很好的实现多端口收发共用，改善MIMO系统的通信质量。在添加三叉形隔离条及沙漏形隔离框之后，该天线在2.4GHz、3.2GHz和5.6GHz处的E面和H面方向图变化较小，在三个工作频段内依然满足全向工作，且三个多频单元组成的三个极化方向的MIMO天线，不同极化之间夹角120度，在收发信号时能够很好的克服极化损失，高效传输无线信号。4端口隔离度提升本文设计了一款新型多频高隔离度MIMO天线，并对该天线进行仿真。结果表明该天线在具有三频特性的基础上，三单元呈120度方向交叉排布，通过添加三叉隔离条及沙漏隔离框，能够大幅提升端口隔离度，极大改善MIMO天线不同单元之间的互扰将三个多频单元天线呈120度方向排布，形成图9所示的3单元MIMO天线，并在三个多频单元天线之间加载一个三叉形隔离条及三个沙漏形隔离条，三个单元天线端口之间的最小距离为28mm，单元天线馈电端口距离中心PL1为16mm，沙漏型隔离条距离中心SL1为27mm。通过控