0 引言

    隨著通信技術的迅猛發展，用戶對移動通信系統的性能、頻譜的利用率提出了更高的要求，且不斷追尋移動設備的小型化與便攜性多入多出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)天線適用于多頻段的無線通信，但是由于手機空間較小，天線單元之間存在不可避免的耦合作用，使得MIMO天線單元之間的相關性較大^[1]，削減了MIMO天線在提高信道容量上的優勢。

    近年來，國內外大量專家學者對MIMO天線進行了研究，主要的研究方向是MIMO天線單元間的去耦。引入地板縫隙是去耦方法中最簡單、最有效的，且容易加工制作，其去耦原理主要是通過減小天線單元之間的傳播信號波長來減小單元之間的相關性^[2-3]。文獻[4]提出一種U型寬帶MIMO天線，采用引入地板縫隙的方法，在2.4 GHz～6.35 GHz工作頻帶內的MIMO天線隔離度能夠達到-20 dB。文獻[5]中提出的超寬帶帶阻MIMO天線引入了T型枝節結構，該結構耦合到天線單元2的電流與天線單元1耦合到天線單元2的電流相位相反，相互抵消，減弱了天線單元間相關性^[6-7]。同樣，在MIMO天線中引入寄生單元^[8]進行去耦與加載T型地板枝節的去耦原理相似。文獻[9]中提出的天線采用了引入寄生單元的方法進行去耦，工作頻段覆蓋了2.4 GHz～2.5 GHz和5.15 GHz～5.825 GHz兩個頻段，且具有良好的隔離度。文獻[10]提出了一種基于槽天線的小型化超寬帶MIMO天線，采用在地板上開槽和方向圖分集的方法，天線在3.1 GHz~7 GHz頻段內S₁₂<-10 dB，在7 GHz~11 GHz頻段內S₁₂<-25 dB，實現了天線的高隔離度。中和線技術是2006年提出的一種解耦技術，通過引入一條電流路徑以抵消在相鄰單元上的表面波耦合，實現MIMO天線的去耦。文獻[11]提出的超寬帶MIMO天線通過引進寬帶中和線，降低了天線單元耦合，設計出的MIMO天線在3.1 GHz～5 GHz處隔離度達到-22 dB。中和線的長度、變形對天線的隔離度也有較大的影響。文獻[12]提出的天線采用了兩根不同長度的中和線，通過聯合解耦的方式，在反射系數-6 dB的標準帶寬下，實現了多個不同寬頻帶范圍內的解耦。文獻[13]設計的中和線采用多重折疊結構，介質基板底部中和線折疊14次，頂部折疊了20次，實現了天線的解耦。但是，上述提出的兩種中和線的物理總長度都比較長，且文獻[13]中的解耦結構比價復雜，這在一定程度上增加了天線設計的復雜度以及實物加工的成本。

    本文通過在地板上放置兩個天線單元結構，單元之間用金屬中和線進行連接，并在中和線上加載集總電感元件，對其進行了改進，同時利用在地板上加載T型地板枝節，實現了MIMO天線的去耦。最后，在仿真優化的基礎上，對天線進行了實物的加工和測試，實物測試結果與仿真結果基本一致。

1 天線設計

    本文提出并設計了一款具有較高隔離度的MIMO手機天線，其主要采用耦合饋電技術和帶阻匹配電路加載技術來實現，滿足S₁₁＜-6 dB，S₂₁＜-10 dB，工作頻段為824 MHz～960 MHz和2 300 MHz～2 600 MHz。

1.1 天線結構設計

    所提出的MIMO天線具體結構如圖1所示，由兩個中心對稱的天線單元構成，中間通過U型中和線進行連接，每個天線單元結構的尺寸為10 mm×22 mm，天線總占有的尺寸為10 mm×60 mm。

    該天線印刷在介電常數為4.4的FR-4介質基板上，基板尺寸為120 mm×60 mm×0.8 mm。在天線的地板中間加入T型枝節，用來提高MIMO天線的隔離度。該天線采用了50 Ω同軸線饋電的激勵方式。

1.2 MIMO天線的構成

    所設計的MIMO天線采用耦合饋電方式，通過帶阻電路和饋電線結合組成直接饋電部分，兩個天線單元之間的距離只有16 mm。圖2給出的是天線和每個單元的具體幾何形狀和尺寸。天線結構各部分的尺寸具體參數如表1所示。其中A₁～A₄是電感，C₁是電容。

    耦合饋電部分由短路線和集總元件組成，天線結構圖2(d)的饋電線直接產生高頻(2 300 MHz～2 600 MHz)，低頻(824 MHz～960 MHz)由圖2(b)中的帶阻電路和耦合饋電線共同作用產生。用于連接兩個天線單元的U型金屬線長度為50 mm，該長度遠遠小于低頻諧振點的長度，微帶金屬線加入的目的是實現在低頻段去耦。天線的背面加入了T型地板枝節，如圖2(c)所示，該結構主要是用于降低兩個天線單元在高頻段的耦合度。由于手機設備對天線尺寸要求的限制，為了能夠覆蓋GSM850/900 MHz的工作頻帶，該天線在饋電端口額外增加了一個帶阻匹配網絡，結構如圖2(b)所示，帶阻匹配電路的加入改善了天線的阻抗匹配。

1.3 天線的去耦

    所設計的MIMO天線要求天線單元之間的耦合較小，因此采用U型中和線的方式進行去耦。利用中和線去耦的方法能夠在保持原有天線尺寸的基礎上，有效地減小低頻處的耦合。但是，在天線單元之間放置中和線時，其位置是難以確定的，這也是MIMO天線設計的難點。

    本文所設計的天線采用的是U型中和線結構，尺寸大小為50 mm×0.5 mm，并對其進行了改進，在中和線的中間位置加載大小為15 nH的集總電感，用于提高天線單元間的隔離度，也縮短了中和線的物理長度。

2 仿真結果分析

2.1 MIMO天線隔離效果分析

    隔離度是衡量MIMO天線性能的重要指標之一。該天線采用了T型地板枝節和中和線去耦的方法來提高天線單元間的隔離度。T型地板枝節的作用主要是降低天線在高頻段的隔離度，該結構能夠使天線單元之間產生兩個相位相反的電流，相互抵消，從而提高天線的隔離度。中和線的加入主要是用于降低天線在低頻段的耦合。這里主要考察在改進型U型中和線上加載的集總電感A₂對天線隔離度的影響。

    如圖3所示，A₂取值的增大對天線在低頻處S參數基本沒有影響。圖3(b)S₂₁曲線中，A₂增大時，天線在高頻部分的隔離效果逐漸變差。根據仿真優化結果圖，當A₂的取值為15 nH時，天線在覆蓋頻段內的去耦效果最佳，隔離度能基本達到天線的設計要求。

    將所設計的MIMO天線分別與兩個參考天線進行S參數的對比，分析隔離性能的好壞。其中，參考天線1未加T型地板枝節和U型中和線，參考天線2未加U型中和線，3種天線的 S參數曲線對比如圖4所示。

    參考天線1的S參數在高頻處只有一個諧振點，且頻帶的范圍相對較窄，隔離度在-7 dB左右。參考天線2的S參數頻帶向左平移了一段距離，但整體對低頻段的影響不大，天線的隔離度仍達不到理想情況。設計的MIMO天線在低頻段和高頻段內的隔離度都能達到-10 dB以上，隔離效果與兩個參考天線相比，都有所提高，且天線能夠覆蓋824 MHz～960 MHz和2 300 MHz～2 600 MHz兩個頻段。

    天線結構上的電流分布能很好地體現中和線的去耦效果。天線工作在850 MHz時，電流分布情況如圖5所示。

    在加入U型中和線之后，左邊的天線單元電流強度減弱，傳到右邊天線單元的電流也得到了削弱。在不增加中和線結構時，天線在低頻段的隔離度約為7.5 dB，在加入U型中和線結構之后，兩個天線單元之間的隔離度提高了3 dB左右，低頻段天線單元之間的相關性明顯減小。該MIMO天線由于U型中和線的加入，在低頻部分達到了去耦的效果。

2.2 天線輻射方向圖

    天線輻射方向圖也是衡量天線性能的重要指標之一，本文對設計的MIMO天線進行了方向圖仿真，圖6為該天線在xoz面和yoz面的方向圖，豎軸代表該天線在不同方向上的增益。

    從圖6中可以看出，在850 MHz的工作頻率時，該天線在xoz平面的輻射方向圖呈現∞型，與單極子天線的輻射方向圖近似。當天線工作在2 500 MHz時，天線的輻射模式呈現多樣性。在方向圖中，E_θ和E_φ的大小基本相同，所設計的天線具有良好的穩定性。

3 天線實物加工測試結果

    本文在應用電磁仿真軟件HFSS設計和仿真MIMO天線的基礎上，對天線進行了加工制作，圖7所示為天線的加工實物圖。

    對該MIMO天線的加工實物用矢量網絡分析儀進行測試，測試結果如圖8所示。從實際測試結果和仿真結果來看，S參數在天線所需要覆蓋的頻段范圍內走向基本一致，在低頻824 MHz～960 MHz和高頻2 300 MHz～2 600 MHz內分別滿足S₁₁＜-6 dB，S₂₁＜-10 dB。但是，在其他頻段內，實際測量結果與仿真結果有一定的差距。誤差產生的主要原因是天線結構中的帶阻匹配電路、中和線的電容和電感在焊接的過程中容易引起誤差。其次，電容電感的大小本身也存在一定誤差，且同軸線在加工過程中會有所損耗。同時，在電容和電感的焊接過程中，焊錫的多少也會造成誤差的產生。

4 結論

    本文提出并設計了一款利用改進型中和線方法去耦的MIMO手機天線。在MIMO天線的去耦方面，該天線通過在兩個天線單元之間加入中和線，并在中和線上加載集總電感元件進行改進，成功實現了天線的去耦，并使天線得到小型化。同時，所設計的天線擁有突出的地平面，可以在上面安裝其他元器件，節約手機主板的空間，使實體天線的結構更為緊湊。天線實物測試的結果進一步證明該天線具有良好的工作性能，基本符合了手機天線的設計要求。

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作者信息:

尹  波，顧  靜，孫利軍

（重慶郵電大學 光電工程學院，重慶400065）