Contents
频 双频 MIMO 天线的解耦设计
目
录 Contents .......................................................................................................................................... III 中 文 摘 要 .................................................................................................................................... V ABSTRACT ..................................................................................................................................... V 第一章
绪论 ................................................................................................................................... 8 1.1 课题研究的背景及意义 .................................................................................................... 8 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................................ 9 1.2.1 天线的缺陷地解耦 ............................................................................................... 10 1.2.2 中和线技术解耦 ................................................................................................... 12 1.2.3 添加枝节结构解耦 ............................................................................................... 15 1.2.4 采用谐振结构解耦 ............................................................................................... 16 1.3 论文的主要工作及结构安排 .......................................................................................... 19 第二章 枝节解耦的 MIMO 天线 ................................................................................................. 21 2.1 引言 .................................................................................................................................. 21 2.2 双频 PIFA 天线的设计 ................................................................................................... 22 2.2.1 天线结构 ............................................................................................................... 22 2.2.2 天线的仿真结果 ................................................................................................... 25 2.3 添加 I 型枝节解耦设计 .................................................................................................. 27 2.3.1 添加 I 型枝节解耦的天线结构 ............................................................................. 27 2.3.2 添加 I 型枝节的仿真结果分析 ............................................................................. 28 2.4 添加 T 型枝节解耦设计 ................................................................................................. 30 2.4.1 添加 T 型枝节解耦的天线结构 .......................................................................... 30
Contents
2.4.2 参数分析 ............................................................................................................... 32 2.3.5 仿真和测量结果 ................................................................................................... 34 2.5 本章小结 .......................................................................................................................... 36 第三章 中和线解耦的 MIMO 天线 ............................................................................................. 38 3.1 引言 .................................................................................................................................. 38 3.2 中和线解耦原理 .............................................................................................................. 38 3.3 中和线解耦 MIMO 天线 ................................................................................................ 40 3.3.1 中和线解耦的 MIMO 天线结构 .......................................................................... 40 3.3.2 天线表面电流分布图和幅度相位分析 ............................................................... 41 3.3.3 中和线参数分析 ................................................................................................... 42 3.4 本章总结 .......................................................................................................................... 45 4.1 引言 .................................................................................................................................. 46 4.2 四单元 MIMO 天线 ........................................................................................................ 47 4.2.1 四单元天线结构 ................................................................................................... 47 4.2.2 天线表面电流分析 ............................................................................................... 49 4.2.3 天线仿真分析 ....................................................................................................... 50 4.3 本章总结 .......................................................................................................................... 51 第五章 总结 ................................................................................................................................... 53 参考文献 ......................................................................................................................................... 54 攻读硕士学位期间取得的研究成果及参与的科研项目 ................................ 错误! 未定义书签。
致谢 ................................................................................................................................................. 61
Contents
Contents
Chinese Abstract .................................................................................. 错误! 未定义书签。
ABSTRACT ......................................................................................... 错误! 未定义书签。
Chapter 1
Introduction .................................................................... 错误! 未定义书签。
1.1 Background and significance of the research ...................................................................... 8 1.2 Domestic and foreign research status .................................................................................. 9 1.2.1 Defect decoupling of
antennas ............................................................................ 10 1.2.2 Decoupling of Medium and Line Technologies ..................................................... 12 1.2.3 Added branch structure decoupling ........................................................................ 15 1.2.4 Decoupling of resonant structures .......................................................................... 16 1.3
Main Work and Structure of the Paper ........................................................................... 19 Chapter 2
Frequency Reconfigurable MIMO Antenna
.................................................... 21 2.1 foreword ............................................................................................................................ 21 2.2 MIMO Antenna Design ..................................................................................................... 22 2.3 Dual-frequency PIFA antenna .............................................................. 错误! 未定义书签。
2.3.1 antenna structure
.................................................................................................. 22 2.3.2 antenna decoupling structure ..................................................... 错误! 未定义书签。
2.3.3 Simulation and measurement results ...................................................................... 28 2.4 To add T decoupled PIFA antenna ........................................................ 错误! 未定义书签。
2.4.1 antenna structure
.................................................................................................. 30
Contents
2.4.2 parameter analysis
................................................................................................ 32 2.4.3 Simulation and measurement results ...................................................................... 34 2.5 Summary of this chapter ................................................................................................... 36 Chapter 3
MIMO Antenna for Neutralizing Line Decoupling ......................................................... 38 3.1 foreword ............................................................................................................................ 38 3.2 The derivation of the principle of neutralizing line decoupling ........................................ 38 3.3 Decoupling MIMO Antenna.............................................................................................. 40 3.3.1 MIMO antenna structure with neutralizing line decoupling .................................. 40 3.3.2 Current distribution and amplitude phase analysis of antenna surface ................... 41 3.3.3 Parametric Analysis of Medium and Line Dimensions .......................................... 42 3.3.4
Simulation and measurement results ...................................... 错误! 未定义书签。
3.4 Summary of this chapter ................................................................................................... 45 Chapter 4
Four cell MIMO antenna ............................................................................................... 41 4.1 foreword ............................................................................................................................ 46 4.2 Four cell MIMO antenna ................................................................................................... 47 4.2.1 Four cell MIMO antennastructure .......................................................................... 47 4.2.2 Current Analysis on Antenna Surface .................................................................... 49 4.2.3 Antenna Simulation Analysis ................................................................................. 50 4.3 Summary of this chapter ................................................................................................... 51 Chapter 5
Summary ......................................................................... 错误! 未定义书签。
Reference .............................................................................................. 错误! 未定义书签。
Research Achievements During the Master Period .......................... 错误! 未定义书签。
Acknowledgemant ............................................................................... 错误! 未定义书签。
Personal Profiles .................................................................................. 错误! 未定义书签。
Letter of Commitment ........................................................................ 错误! 未定义书签。
Authorization Statement ..................................................................... 错误! 未定义书签。
第一章绪论
中 文 摘 要
多输入多输出（MIMO）天线技术是5G无线通信领域的关键技术之一，其技术可实现空间分集、空间复用和波束赋用等性能，可以提高信号传输速率，增大信道容量，提高频谱利用率。但是在尺寸很小的移动设备中放置多根天线，因为近距离产生的地表表面波和空间辐射波，会使天线彼此之间产生干扰，使天线单元间发生强烈的互耦，增大天线间的相关性使无线通信系统得不到预期的工作效果。因此，提高天线单元之度的隔离度是多天线的核心问题。
本论文将重点研究降低 MIMO 天线，主要工作可概括如下：
1. 首先设计了一个具有二个端口的双频带 MIMO 天线，工作频段覆盖 WLAN（2.4 GHz -2.48 GHz、5.15 GHz -5.35 GHz、5.725 GHz–5.825 GHz）频带。单元天线采用印刷单极的形式，低频谐振单元为倒 F 天线，通过增加短的辐射贴片，用以产生高频谐振，实现双频工作。增加 T 型枝节将天线的隔离度提高到 25dB 以上，天线单元之间的相互影响得到很好的抑制，从而提高天线单元间的隔离度。
2. 设计了一利用中和线来解耦的 MIMO 天线。分别在天线接地板上和馈电微带线上加载对应谐振频率约为 0.5 波长的中和线，宽度为 0.3mm，采用微带线进行馈电，较长的加载在微带线上的中和线用来改善低频处的隔离，较短的加载在天线接地板上的中和线用来改善高频处的隔离，隔离度大于 30dB，能够实现天线的全向辐射。
3. 设计了一个四单元 MIMO 天线。将二单元天线对称放置得到了四单元天线，天线结构在天线接地板上开了两个对称的矩形槽来改善高频的隔离，在槽上增加 T型枝节来增加带宽，又在微带线上增加了弯折了5次的中和线来降低低频处的耦合，最终实现了 2.41GHz-6.7GHz 的阻抗带宽，依然可以覆盖 WLAN 频段，在谐振工作点上两两端口彼此之间的隔离度均高于 25dB。
关键词：
MIMO 天线；PIFA 天线；中和线技术；隔离度 ABSTRACT
第一章绪论
multi-input and multi-output (MIMO) antenna technology is one of the key technologies in the new generation wireless communication field. its technology can realize the performance of space diversity, space multiplexing and beam assignment, and then improve the signal transmission quality and spectrum utilization. However, many antennas are placed in mobile devices with limited size, because the surface surface wave and space radiation wave produced at close range will cause the antenna to interfere with each other, make the antenna unit have strong mutual coupling, and increase the correlation between antennas so that the wireless communication system can not get the expected working effect. Therefore, improving the isolation of antenna elements is the core problem of multi-antenna.At the same time, we focus on reducing MIMO antenna. The main work can be summarized as follows: 1. we first design a dual-band MIMO antenna with two ports. the operating frequency band covers the WLAN (2.4 ghz-2.48 ghz ,5.15 ghz-5.35 ghz ,5.725 ghz-5.825 ghz) frequency band. a unit antenna is in the form of printed monopole, and the low frequency resonant unit is an inverted F antenna. by adding a short radiation patch, it is used to generate high frequency resonance and realize dual frequency operation. The isolation of antenna is increased to more than 25 dB by increasing the T branch, and the interaction between antenna elements is well suppressed, thus increasing the isolation between antenna elements
Isolated. 2. a MIMO antenna using neutralizing lines to decouple is designed. the neutral line with corresponding resonant frequency of about 0.5 wavelength is loaded on the antenna connection floor and the feed microstrip line respectively. the width is 0.3 mm, the microstrip line is used for feeding. the longer neutral line loaded on the microstrip line is used to improve the isolation at low frequency, and the shorter neutral line loaded on the antenna connection floor is used to improve the isolation at high frequency. the isolation degree is more than 30 dB, can realize the omnidirectional radiation of the antenna.
第一章绪论
3. a four-unit MIMO antenna is designed. Two symmetrical rectangular slots are arranged on the antenna floor to improve the high frequency isolation, the T branches are added to the slot to increase the bandwidth, and the neutral line is bent five times to reduce the coupling at the low frequency. Finally, the impedance bandwidth of 2.41 GHz-6.7GHz is realized, which can still cover the WLAN frequency band, and the isolation between the two ports at the resonant working point is higher than 25 dB..
Keywords: MIMO antenna;
Planar
Inverted-F
Antenna; Pattern reconfigurability ;
Neutral Line Technology; Isolation
第一章
绪论 1.1 课题研究的背景及意义 。物联网的飞速发展和人们对于移动互联网业务种类的需求与日俱增，数据传输速率虽然相比 2G,3G时代要快了很多，但是市场需求会对传输速率和覆盖范围提出更高的要求以及更好的服务质量，而随着 4G和 5G时代的到来，增加天线的数目不可避免。从 2G到 5G，移动基站天线由简单天线研发出各种类型的天线。比如全向天线、定向单极化天线、定向双极化天线、电调单极化天线、电调双极化天线、多频双极化天线，以及MIMO天线、有源天线等，传统无线通信系统中，发射端和接收端通常各使用一根天线，通信系统的最大传输速率较小，随着对通信速率要求的不断提高，因此需要突破传统无线通信系统的容量界限，提升信道容量的方法可以设置更多的基站，但是这样代价高；也可以通过拓宽已使用的频带，但是资源紧张；最好的方法是提高频谱使用效率，增加信噪比，所以为了改善通信质量，提高信道容 量 ， 由 SIMO 和 MISO 技 术 发 展 演 变 为MIMO (Multiple Input Mutiple Output)，MIMO是指在发射端和接收端采用多根天线，使信号在空间获得阵列增益、分集增益、复用增益和干扰抵消等的一种多天线技术。当天线数量较多时，系统容量可近似表达为:C = min(M,N)log 2 (1+p)B为信号带宽，p为接收端平均信噪比，该系统的容量随最小天线数目min (M,N)线性增长。根据通信原理：“在频谱利用率不变的情况下，载波带宽翻倍则数据传输速率也翻倍，无线通信的最大信号带宽大约是载波频率的 5%”。因此载波频率越高，可实现的信号带宽也越大，数据传输速率就越高。MIMO技术主要利用发射分集的空时编码、空间复用和波束成型等3种多天线技术来提升无线传输速率及品质。
MIMO技术实质上是为无线通信系统提供-定的分集增益和复用增益。对于理想的随机信道，如果天线的空间和成本不受限制，MIMO 系统就能提供无限大的容量。
MIMO天线可以充分利用空间资源.在不增加频谱资源的情况下，还可以不增加发射天线功率，成倍提高系统信道容量改善通信质量。MIMO技术能使雷达系统通过独特的时间-能量管理技术实现对个独立宽波束同时照射。主要是通过多个天线发射不同的正交波形，同时覆盖较大空域，并利用长时间相干积累来获得较高的信噪比。MIMO技术具有的稳定性和大数据流量的特点，可以使人们随时随地监控电网的东塔，进行良好的资源配置。为了遵循全球移动通信网络高速率、高容量、低成本、低时延、按需覆盖、节能减排的发展趋势，未来三到五年，移动通信天线的发展将
呈现 3 个特点：小型化和宽带化，一体化和有源化，智能化和可感知。只有发展小型化多系统共用天线，所需的天线数量才能大幅减少，小型化宽频带多系统共用电调天线铁塔共享率显著提升，显著改善了通信网络质量和用户感知，减少了网络天线体积和数量，明显提升了电信基础设施共建共享水平。
MIMO 技术在基站的应用中，由于基站的空间比较大，可以通过确保架设天线单元间的间距大于半波长以上来保证较高的隔离度，但是在越来越小的移动设备中放置多根天线，天线单元间的间距减小会使天线单元间发生相互作用。这种作用可能会使天线达不到预期的辐射效率，而且也会影响天线的阻抗匹配和隔离度，增大天线间的相关干扰性使无线通信系统得不到预期的工作效果。因此，小型化天线单元之间的解耦技术是多天线的。
1.2 国内外研究现状 MIMO（多输入多输出）的概念最早是由L.Campbell提出来的[1]，早期的MIMO天线就是把几个天线单元连接到一起，这样天线的尺寸就会较大一些，一开始的辐射贴片都是采用传统的几何形状，比如矩形，圆形，多边形作为基础的天线的单元，也可以将这些形状组合起来，比如文献[2]，后来天线设计了一些分支，形状像T形，F形，L形或者U型，利用枝节的尺寸来调整在介质板上匹配阻抗，而且这些增加枝节的天线还可以实现双频或者多频工作，不用任何技术就可以实现天线之间的低互耦，比如文献 [4]以树形天线环型天线等为例研究了分形天线对于减少天线尺寸和增加工作频带的优势，而且还可以提高天线的辐射性能。文献[5]它由三个新的宽带天线组成，它们一起可以覆盖 470 MHz至 6 GHz的整个频带，三个新天线中的每个天线的带宽都超过 65％。它们是低成本的多极化不平衡谐振天线，不需要匹配电路，它们的整体尺寸很小，并且具有很高的效率和很高的峰值增益。
文献[6]本文提出了一种在移动终端中实现 4*4MIMO天线的新方法。通过仅在一个辐射器上正确选择馈电和短路引脚的位置，所提出的设计可以提供四个不相关的天线端口，所有四个天线均在 3.5GHz频段谐振。通过测量验证了所提出天线的优越性。因为考虑到天线单元之间的相互干扰，所以设计天线的隔离度就作为一个重要的参考指标，但是随着移动通信的发展，天线的设计需要小型化，当天线的长度小于工作中心频率对应的 0.5 波长时即可定义为小型化天线，但是考虑到对于放置在可移动终端的设
备中的天线，天线尺寸当然需要越小越好，实现的频率范围越宽越好，在尺寸有限的空间内设计的天线，天线端口之间会有强烈的相互耦合，所以就提出了对天线设计者的要求：实现小型化，超宽带，高隔离度，所以在原来天线结构的基础上采取解耦技术来提高天线的隔离度成了研究者们的重点关注对象，降低天线之间的耦合的方法有很多，比如改变天线结构，改变馈电方式或者增加解耦网络，国内外研究者们的解耦方法大致如下：
1.2.1 天线的缺陷地解耦 缺陷地结构(Defected Ground Structure, DGS)是在天线的接地板部分开一条或者多条形状的槽或者缝隙，在不影响阻抗匹配的情况下，通过改善天线接地板上的电流分布，来改善天线彼此之间的隔离度，其微带传输线模型可以等效因为其能够等效为电容、电感并联的谐振电路，所以它可以具有带阻滤波器的特性，还可以等效为 LC 谐振电路，所以用来改善天线端口之间的隔离度。文献[7-16]使用不同的在天线地板上开槽实现了天线结构的解耦。
文献[7-10]都提出超宽带 MIMO 天线，采用引入天线接地板缝隙的方法来降低耦合，文献[8]本文提出了一种紧凑的 4 × 4 超宽带（UWB）多输入多输出（MIMO）天线如图 1.1 所示。UWB MIMO 天线在 WIMAX（3.3-3.8 GHz）和 WLAN（5.15-5.35 GHz 和 5.725-5.825 GHz）频率下具有双频段陷波特性，总尺寸为 56 mm×56 mm×0.8 mm。天线由四个贴片天线组成，分别与正交突出的地面部分相连。为了实现 WIMAX频率的带阻，在每个辐射贴片中刻蚀一个 λ/ 4 I 形开口槽。在每个补丁中蚀刻一个 λ/ 2 C 形缝隙，可以类似地获得 WLAN 频率中的陷波频段。为了满足 4.2 GHz 以下频率下优于 20 dB 的高隔离度，向提出的 UWB MIMO 天线的地面部分添加了四个矩形和四个阶梯形短截线，所提出的 UWB MIMO 天线工作在 3.2 至 10.7 GHz 之间，具有| S 11
|≤-10 dB 和| S 21
|的高隔离度 ≤-20 dB。文献[9]提出一种尺寸为 26.5×30 mm 2 的紧凑型双频段带缺口 UWB-MIMO 天线 。设计了两个相同的半圆环形单极UWB 天线并排放置。通过在接地面上蚀刻两个 L 形槽并将两个“锚定”形短截线插入辐射补丁中以抑制 WiMAX 和 WLAN 频带干扰，可以实现两个带状切口。仿真结果表明，实现了两个陷波频带和较宽的带宽。此外，提出的 UWB-MIMO 天线可以提供很高的隔离度，在大多数 UWB 频段中，其隔离度均优于-19.74 dB。此外，给出增益和辐射方向图以验证所设计的 UWB-MIMO 天线的有效性。
图 1.1 UWB 多输入多输出（MIMO）天线 [2]
图 1.2 双频倒 F 多输入多输出（MIMO）天线 [5]
文献[10-14]设计了几种双频倒 F 多输入多输出（MIMO）天线，文献[11]提出了一种双频倒 F 多输入多输出（MIMO）天线，如图 1.2 所示，覆盖 2.4 / 5 GHz 无线局域网（WLAN）频段。提出的 MIMO 天线由两个对称的缠绕式倒 F 天线元件组成。两个天线元件与约 0.115λ 紧密间隔 0 的低频带的。高隔离度是通过构建两个去耦装置实现的，分别是弯曲的谐振支路和在地面分别蚀刻了较高频带和较低频带的倒 T 形槽。此外，在 50Ω 馈电线上刻蚀了两个实现更好阻抗匹配的 U 形缝，以加宽高频带的带宽。阻抗带宽S 11
<-10 dB的提出天线在较低频段覆盖2.4-2.48 GHz，在较高频段覆盖 5.15-5.825 GHz，并且所提出的天线在 2.4 GHz 和 5 GHz WLAN 频段获得 15 dB 隔离，这表明与 MIMO 天线的初始设计相比，具有明显的改进。仿真和测量结果表明，所提出的倒 F MIMO 天线系统非常适合 WLAN 应用。
文献[15-17]是通过在天线接地板上添加开槽来提高天线彼此之间的隔离度，文献[15]提出了一种用于多输入多输出（MIMO）阵列构形的双频带平面缝隙天线如图 1.3 所示，MIMO 天线由两个平面缝隙天线单元组成，并通过增加接地板上的 L形短截线来实现双频特性。通过采用添加去耦缝隙结构，在天线接地板上开三条大小尺寸一样的槽，该阵列天线可实现 2.4GHz 和 5.8GHz 频带，用于无线局域网（WLAN）应用，工作频带中的两个天线元件之间的隔离度大于 20dB。工作频带中的包络相关系数（ECC）小于 0.01，这表明它在 MIMO 系统中具有出色的性能。
图 1.3 天线接地板开槽的 MIMO 天线 [9]
文献[17]设计并制造了一种新颖的由两个元件组成的双频带 4 形印刷多输入多输出（MIMO）天线系统。覆盖的低频段为 803-823 MHz，覆盖的高频段为 2440-2900 MHz。在两个天线元件之间使用有缺陷的接地平面结构（DGS）之后，两个元件之间的隔离在低频带中大于 17 dB。印刷 MIMO 天线系统的整体尺寸为50×100×1.56mm
3
。
在天线的结构中，在天线的接地板上开槽或者挖缝，相当于改变了接地板表面的电流分布，能有效的抑制被激励天线端口流向非激励天线端口的耦合电流，能够有效的提高天线单元间的隔离度，降低相关性。这种方法简单易于实现，但是要考虑开槽或者缝隙的尺寸以及位置不恶化阻抗匹配和天线的辐射方向图。
1.2.2 中和线技术解耦 2006 年，Aliou Diallo 等学者提出了中和线结构解耦，通过在天线单元间连接一条或几条直的或者弯折的微带线进行解耦的方法叫做电流中和线解耦法。需要考虑加入中和线的位置，形状，及其长度宽度尺寸，这些可能都会影响天线结构的匹配以及端口之间的隔离。文献[18-28]都通过采用了中和线结构来降低天线之间的相关性，提高隔离度。
文献[18-21]是在天线结构之间连接了一条中和线来降低天线端口之间的耦合，只是中和线的连接位置有所区别。文献[18-19]都是在天线单元之间添加了中和线，文献[18]提出了一种使用中和线端口解耦的二单元输入多输出（MIMO）天线系统，如图 1.4 所示，该系统可应用于无线 USB 加密狗应用的天线。两个单极子天线位于
系统 PCB 板的两个相对角上，并由一个小的部分天线接地板隔开，该天线接地板部分用作天线馈电网络，一条 0.3mm 宽的倒 U 型曲折中和线连接在两个天线单元之间，增加了一条新的耦合路径，可以有效地改善天线端口的隔离。而且本研究中的中和线占用的电路板空间很小，不用加大天线尺寸，不需要对天线接地板进行常规优化修改即可减轻相互耦合。测量的两个单极天线在 2.4GHz 频段上可以达到阻抗匹配 ，驻波比 VSWR 为 2，符合 WLAN 操作所需的带宽范围，天线之间的隔离度均低于 19dB，比没有中和线时隔离度提高了 10dB，峰值增益可以达到 2.1dBi，辐射效率大约可以达到 70%。文献[20]提出了一种用于移动终端的宽带印刷双天线系统。由两个对称天线单元和一条中和线（NL）组成的双天线被印刷在印刷电路板上，如图 1.5 所示，天线元件是带有接地分支的 F 型单极子天线，两个天线单元呈对称分布，倒 U 型的中和线连接在中间部分的天线接地板上，天线系统由 50 的微带线进行馈电，本研究中基于 S 参数和表面电流分布，分析了双天线的工作机理，在增加了中和线以后，新增了电流路径，流向端口 1 的电流大大减少，此时电流集中分布在中和线线上，所以有效的降低了两个端口之间的彼此耦合。天线的原型测得的-10-dB 阻抗带宽为 1.09 GHz（1.67-2.76 GHz），测得的互耦合在 1.7-2.76-GHz频段低于-15 dB。它涵盖了 GSM1800，GSM1900，UMTS，LTE2300，LTE2500 和2.4 GHz WLAN 频段。测量天线的辐射图，天线具有良好的分集性能。
图 1.4 中和线连接在天线单元的 MIMO 天线 [12]
图 1.5 中和线连接在接地板的 MIMO 天线 [14]
文献[22-25]是在天线结构之间连接了两条中和线来降低天线端口之间耦合的双频 MIMO 天线。文献[23]利用两条中和线在每个辐射贴片的边缘每一侧连接两个天线单元，来减少双频微带天线阵列的相互耦合，每条中和线的长度对应微带天线的谐振频率的二分之一，较长的中和线可在较高的工作频带上实现高隔离度，可以
获得高达 25dB 的隔离度，较短的中和线可在较低的频率下使阵列天线解耦，实现高频 35dB 的隔离度。天线结构如图 1.6 所示。
图 1.6 利用两条中和线的双频 MIMO 天线 [17]
文献[26-28]利用了多条中和线来降低天线端口之间的相互耦合，以前的研究者指明了中和线技术解耦的原理是中和线从被激励天线单元处增加一部分电流路径，并且可以把电流返回给非激励天线单元，让它能够产生与未加中和线之前相反的耦合。这样激励天线单元就可以很好的抑制对对非激励天线单元的影响。从而降低天线单元间的彼此耦合。中和线的长度和宽度以及中和线的连接位置都会影响增加的电流路径以及解耦的效果，中和线一般只能在单频段或者窄带处实现解耦效果，因为对于不同的工作频点，中和线对应的长度也不一样，这极大的限制了中和线在多频带内的应用。文献[27] 研究了一种用于移动终端的宽带印刷双天线。天线结构图如图 1 .7 所示， 双天线由两个对称天线元件和三条中和线(NLs)组成， 这三条中和线减少了宽带内的相互耦合。为了深入了解中和线的连接位置以及长度，宽度大小对解耦的影响，建立了等效的电路模型，根据参数、表面电流分布的方法，分析了三种 NLS 的工作机理，三条中和线彼此影响彼此抑制。
如果三个新的耦合电流和原始的耦合电流被设计成一个适当的值，则相互耦合接近于零。
由于新的耦合电流随频率的变化而变化，它不能用单个 NL 补偿宽带内的原始耦合。
对于NLS1、2 和 3 有不同的参数， 新的相互耦合是不同的，随频率的变化也是不同的。
因此，这三种新的相互耦合可以补偿宽带内的原始耦合。
这是最重要的 使用三个NLs 来获得一个宽的解耦带宽的想法，该带宽并被组合以适应一个宽的频带内，从而实现终端的多频段解耦。
一个原型表明，测量到的-10dB 阻抗带宽为1.3GHz(1.62-2.92G Hz)，并且测量到的相互之间在 1.66-2.84G Hz 波段，耦合小于15dB。
它涵盖 GSM1800、GSM1900、UMTS、LTE2300、LTE2500 和 2.4GHz WLAN
波段。
由于中和线结构不占用天线单元以外的空间，自从被提出就获得了广泛的实际应用，设计者可以仿真软件对中和线和天线单元进行调谐、联合优化。
图 1.7 连接三条中和线的 MIMO 天线 [21]
1.2.3 添加枝节结构解耦 适当的添加天线寄生枝节结构也是常用的降低天线之间的相互耦合的有效方法，一般添加在天线接地板上，此时就会产生额外的耦合路径，新增界的耦合路径产生的耦合能量可以与原来天线之间的耦合能量幅度相同，相位相反，相互抵消，降低天线之间的相互干扰，提高天线之间的隔离度。在金属天线地板上延伸额外的枝节，会制造出沿此枝节分布的电流路径，适当抑制了从激励端口到非激励端口的电流，能够起到隔离作用，有时候还可以作为能量反射板。添加枝节的时候主要考虑：（1）枝节结构所添加的位置；（2）枝节结构的形状。文献[29-36]都采用了不同结构的枝节实现了天线的解耦功能。
文献[31]提出了一种基于耦合传输线谐振结构的高隔离度 MIMO 滤波天线。提出的天线结构如图 1.8 所示， 该天线是在低成本的 FR-4 基板上制造的，厚度为1mm，本设计采用中轴对称结构研究距离对天线耦合的影响，当两个天线元件之间的距离相对较近时，由于强耦合，天线的滤波性能明显变差。为了保证滤波器天线单元能正常工作 在不占用较大电路尺寸的情况下，需要引入两个天线端口之间的解耦单元，通过开槽和地板上树形结构的解耦的引入，以减少天线单元之间的耦合，改善端口 隔离，使两个端口的隔离度达到 15dB 以上。
文献[36]提出了一种紧凑的多输入多输出（MIMO）天线，尺寸为 38.5×38.5
mm 2 ，天线结构如图 1.9 所示，用于具有带陷波功能的超宽带（UWB）应用。由具有 UWB 性能的两个偏置微带馈电天线元件组成，为了实现高隔离度和极化分集，将天线元件彼此垂直放置，辐射元件之间的寄生 T 形条被用作去耦结构，以进一步抑制相互耦合。另外，通过在地面上刻蚀一对 L 形缝隙来实现 5.5 GHz 的陷波带。实验结果表明，该天线的阻抗带宽为 3.08-11.8 GHz，反射系数小于-10 dB，除了5.03-5.97 GHz 的抑制带，隔离度高于-15dB,包络相关系数小于 0.02。
图 1.8 添加树形枝节的 MIMO 天线 [25]
图 1.9 添加 T 型枝节的 MIMO 天线 [30]
通过采用地枝结构进行解耦的设计有很多研究实例，地枝结构的类型取决于天线的形式，可以增加电流路径，也需要优化一定的时间。
1.2.4 采用谐振结构解耦 在天线单元之间适当放置谐振单元或者一定的周期性结构采用可以提高天线单元间隔离，加入谐振结构可以使电流围绕在谐振单元附近分布，有效抑制了激励
端口流向非激励端口的的电流分布，降低了两个端口之间的相互干扰性，提高了隔离度。文献[37-43]使用了不同的谐振结构来降低天线单元之间的彼此耦合，文献[38]中，研究者提出了一种使用紧凑的平面螺旋线（PSL）结构的用于两个紧密放置的双频带平面倒 F 天线（PIFA）的双频带隔离增强技术，该去耦结构的尺寸小于0.15λ×0.1λ，可以灵活地应用于各种实际的多输入多输出系统。其整体几何形状由两条倒 L 形金属条和螺旋线组成，尺寸为 18.6×10mm 2 .矩形金属条的尺寸为10×4.8mm 2 ，连接 ED 到地面的距离为 9 毫米，在倒 L 型金属条之间，悬挂两条宽度为 0.2mm 的方形螺旋带，它们分别印在天线的顶层和底层，并通过 0.2 毫米镀通过钻的金属过孔连接，两个方形螺旋带的详细几何形状如图所示 1.10 所示。通过采用这种结构，可以将下层的电流通过螺旋线的过孔传输到天线的上层，反之亦然，上层的电流通过螺旋线的过孔传输到天线的下层，新添加的电流路径带走了从初始路径到激发端口1的很大一部分表面耦合电流。所以两个天线的隔离度得到了提高， 两个 PIFA（端口距离为 0.1λ）可以在较低频段（2.4-2.483 GHz）和较高频段（5.25-5.9 GHz）内分别实现优于 20.3 和 26.7 dB 的高隔离度。文献[5]是将天线接地板开槽与谐振结构一起使用来提高天线的隔离度。
图 1.10 谐振结构解耦的 MIMO 天线 [32]
采用谐振结构能够极大的降低天线单元间的彼此耦合，但是在金属天线地板上腐刻出一定的周期性结构设计过程比较复杂，加工和仿真都不容易实现，尤其误差会比较大。
1.2.5 解耦网络解耦
还有一些文献[44-49]中通过在天线的馈电端口添加解耦网络降低馈电耦合。在天线结构中。被激励天线单元处会产生耦合电流产生的耦合能量会直接耦合至输出端口，因此 必须一开始就要防止此耦合能量进入输出端口。一般通过组合电解电容(用于低频去耦)、陶瓷 电容(用于高频去耦)来完成，或者微带结构、集总参数 LC 或者微带加集总，也有可能使用铁氧体磁珠。解耦的原理是在被激励天线单元处耦合一部分电流与未加解耦网络前的电流相互抵消，达到解耦的目的。在文献[44]中，小于半个波长的元件间距会在紧凑型天线阵列的端口之间引入强大的互耦合，强耦合会导致系统性能显着下降。去耦网络可以补偿相互耦合。可以使用模式馈电网络实现端口解耦。在输入端口之一上输入信号，该馈电网络根据阵列散射参数矩阵的特征向量之一来激励天线元件。在本文中，描述了一种新颖的四单元天线阵列。阵列的馈电网络被设置为带状线中具有四个耦合线部分的平面环形电路，新配置大大减小了尺寸，从而使阵列非常紧凑。文献[45]中，本文提出了一种减少两个任意天线之间相互耦合的替代方法。在此设计中，使用任意功率分配的环形混合作为本征模式馈电网络，可以将两个任意紧密间隔的天线解耦。然后可以独立执行输入端口匹配。尽管可以以相同方式解耦两个其他类型的天线，但考虑了工作在 900MHz的印刷单极天线和平面倒 F 天线（PIFA）。当两个天线紧靠放置时，在 900MHz 时，可以实现优于 25dB 隔离的去耦。文献[46]中提出了一种用于两天线单元紧密间隔的天线阵列的可调解耦和匹配网络（DMN）。DMN 实现了阵列本征模式的匹配，因此在保持电路较小的同时，隔离并匹配了系统端口。紧密间隔的导线和微带单极对阵列用于演示所提出的 DMN。发现通过使用该 DMN，可以将具有不同长度的单极子用于设计频率，这增加了设计灵活性。此属性还允许仅使用 DMN 进行频率调谐，而不必更改天线的长度。当天线之间的间隔为 0.05λ 时，提出的 DMN 仅使用一个变容二极管来实现 18.8％的调谐范围，回波损耗和隔离度均优于 10 dB，当间距增加到 0.1λ 时，隔离度优于 15dB。
图 1.11 采用解耦网络的 MIMO 天线 [39]
图 1.12 采用解耦网络的 MIMO 天线 [40]
采用解耦网络进行解耦对天线的具体形式没有要求，一般是先设计天线单元，根据端口的参数，然后再设计解耦网络结构，额外增加的电容电感需要考虑其适用性，高低频解耦的不同处理方式，结合谐振网络的理论知识，降低了设计的难度，较容易实现。
1.3 论文的主要工作及结构安排 论文的主要成果如下：
1.设计了一种能够工作在频率为 2.45GHz，5.2 GHz，5.8 GHz，覆盖 WLAN 带宽的双频带平面倒 F 天线。实现 PIFA 的双频工作。将所设计的天线进行二单元组阵排列，得到二单元 MIMO 天线，通过加载枝节来降低天线单元彼此之间的耦合，隔离度达到 25dB，仍可覆盖 WLAN 带宽。
2.设计了一种基于改进型中和线的 MIMO 天线。天线单元可工作在 ，相对带宽达到，天线单元间的隔离度大于，天线的实际测量与仿真结果达到一致。
3.设计了一种四单元 MIMO 天线。重叠频带为 2.34-2.58GHz，相对带宽为 10%，天线单元间的隔离度大于 16.5 dB。将所设计的天线进行四单元组阵排列，得到四单元 MIMO 天线 本论文的结构安排如下：
第一章为绪论，介绍了 MIMO 天线技术的研究背景和意义以及将 MIMO 天线
与解耦技术相结合的优势，阐述了国内外学者对 MIMO 天线的研究现状。介绍了几种解耦设计方法。
第二章 首先，设计了一款可以工作在 WLAN 频段的平面倒 F 天线，可以实现双频，然后对基础的天线单元进行排列组合得到二单元 MIMO 天线，其次根据天线的隔离度要求，对天线进行了解耦设计，分别添加了 I 型枝节和 T 型枝节进行解耦，仿真和测量结果表明，当 S 11 =-10dB 时，产生 2.45GHz 和 5.2GHz 的谐振频率 ，在低频段的时候隔离度最高达到 27.3，在高频段的时候，隔离度最高达到 40，而且天线可以实现全向辐射，符合天线基本要求。
第三章 设计了一种基于加载中和线技术解耦的小型化二单元 MIMO 天线，首先分析了中和线技术解耦的原理，然后比较了中和线加载的位置以及尺寸大小，最后通过优化参数设计了工作于 2.45GHz，5.2GHz 的双频率解耦天线，仿真和测试结果表明，添加解耦网络后，双天线间的耦合降低了 30d B 以上，天线获...
相关热词搜索： 双频 设计 天线
