浅谈无线通信系统中小型化MIMO天线的研究与设计

王杰群 大连交通大学电气信息学院

引言：如何在空间有限的前提下，实现多个MIMO天线的同时布局，以达到提高数据传输速率的目标，已经成为了当下研究人员深入研究MIMO技术的主要论题之一。另外，小型化MIMO天线在无线通信系统中的创新设计将会成为影响到通信行业未来发展方向的重要因素，需要加大研发与创新力度，尽快促进高速度宽带无线接入网的实现，满足移动终端设备的多功能设计需求。

1 基于寄生元去耦法小型化MIMO天线设计

1.1 强耦合小型化MIMO天线的设计

目前，在单元之间添加寄生单元是达到天线低耦合目标的重要方法之一。由于寄生单元富含多元化的形式，能够结合天线的结构及功能需求进行灵活的设计，具有较强的使用性能,因此本章主要阐述一款基于2.4GHz WLAN频带的紧凑型小型化MIMO天线。

从结构上看来，这款强耦合天线的介质板上面主要放置了天线单元的对角，下面则是方形的底板。根据标准计算公式，能够计算出介质板的介电常数εr=4.4，尺寸为W×L=20mm×60mm，整体厚度h=0.8mm。值得注意的是，引进寄生单元之后天线的自阻抗性能也会受到影响，通过观察测绘小型化MIMO天线单元内的S参数曲线情况便可得知，只有处于2.85GHz阶段时，本节设计的天线单元才能保持较低的单元隔离度以及较好的谐振，能够顺利进行阻抗匹配。

1.2 低耦合小型化MIMO天线的设计

本节设计了低耦合小型化MIMO天线，因为这里需要运用矩形寄生单元来完成天线之间的低耦合，所以天线之间的隔离程度会受到寄生单元尺寸的影响。在设计过程中能够看到寄生单元长度以及宽度的变化情况，明显会对天线的耦合情况产生影响，但是却几乎无法影响到天线的波形[1]。综合本节的研究可以得知，虽然引进寄生元能够缓解MIMO天线之间出现的耦合问题，但是一定会对天线的阻抗匹配性能产生影响，所以在设计的时候一定要对天线耦合以及匹配这两个问题进行综合考量。

2 S参数法基础上的小型化MIMO天线设计

基于S参数法基础上设计小型化MIMO天线时，针对天线的耦合情况，本节主要给出两种设计方案进行分析比较。第一方案中的去耦网络主要由长度6mm传输线并联1PF电容而组成。观察得到的S参数曲线便可以得知，在增添去耦网络之后，天线单元之间的耦合程度明显从-4dB降低到了-20dB，但是从天线单元之间的匹配上来看，还是产生了良好的匹配效果。虽然增添去耦网络能够显著提升天线单元间的隔离度，但是S参数曲线中的最大隔离度在17dB上下徘徊，不太符合天线单元工作频带全部高于15dB的要求[2]。

改进后的第二方案在分析缝隙宽度以及长度对天线的影响后，能够发现缝隙宽度明显会影响到频段内的隔离度以及天线单元谐振频谱。在缝隙宽度由1.0mm降到0.4mm的时候，谐振频谱会经历从低频到高频的历程，使得天线的特性趋于最佳。也就是说，地板上存在的公共电流可以成为增强天线单元间耦合的重要因素，因此可以通过改变地板电流分布的方式，降低小型化MIMO天线狭小单元间隙之间的耦合程度，实现S参数法基础上小型化MIMO天线的设计。

3 新型高隔离度小型化MIMO天线的设计

综合第二节的分析可以得知改变地板电流能够提升MIMO天线间的隔离度，所以本节要阐述建立在增添传输线，以及改动地板缝隙结构基础上的新型高隔离度小型化MIMO天线。首先要在介质板上添加两节传输线、在地板上添加缝隙结构，之后便可以发现传输线的长度、缝隙距离O点的距离都会影响到天线的隔离度。综合上述分析，本节设计一款采用基于曲折形单极子天线的小型化双频MIMO天线，缝隙尺寸选为1.5mm×11mm。通过对天线结构参数样品进行加工实测后，发现仿真数据分析结果能够与实测结果产生良好的吻合效果，而且在2.34-2.50GHz和5.45-5.75GHz频带上，天线的回波损耗超出了10dB,单元格力度也能大于15dB，说明天线信号具有较好的分集增益，此次小型化MIMO天线设计具备可行性。

结束语：综上所述，随着B3G、4G时代的深入发展，移动通信终端设备的发展极大的便捷了人们的日常生活，真正将世界各国的人们连接成了一个共同体。但是与此同时，也要看到频谱资源紧张可能会导致的严重问题，继而深入研究MIMO技术。小型化MIMO天线能够将无线通信系统的系统通信容量成倍的扩展，恰好符合无限通信对于网络大信道容量的研发需求。

[1]杨子贤.无线通信系统中小型化MIMO天线的研究与设计[D].电子科技大学,2016.

[2]史超.无线移动终端的小型化MIMO天线的研究与设计[D].南京信息工程大学, 2014.