一、簡介

MIMO 天線系統(tǒng)可以在同一時(shí)間內(nèi)在多個(gè)獨(dú)立信道傳輸不同的數(shù)據(jù)流。因此在不改變收發(fā)功率和信道帶寬的情況下可以有效的增加信道容量。但是多天線的固有性質(zhì)使得多天線系統(tǒng)的占用空間遠(yuǎn)大于單天線系統(tǒng)，這在工程應(yīng)用上是有弊的。為使得多天線系統(tǒng)的占用空間盡可能地小，工程上一直在研究以尋求更小的天線單元間距。然而當(dāng)天線單元相互靠近的時(shí)候，他們之間會(huì)產(chǎn)生互耦合，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的性能降低。MIMO 系統(tǒng)的互耦可能是由于空間波、表面電流以及表面波引起。對(duì)于傳統(tǒng)的 MIMO 系統(tǒng)，有兩種常用的去耦策略——阻塞和中和。在阻塞類別的去耦策略中，是通過在兩個(gè)天線單元之間引進(jìn)屏障從而減小二者之間的相互耦合。而在中和類別的去耦策略中，是引進(jìn)了一條新的路徑，用于抵消系統(tǒng)原有的耦合路徑。這二者都需要在原有的天線系統(tǒng)中引入新的結(jié)構(gòu)，在工程上使得制造變得復(fù)雜，以及成本的上升。為實(shí)現(xiàn)緊湊型系統(tǒng)中 MIMO天線的去耦效果，本工作基于鄭顯穎等人的工作（參考文獻(xiàn)[1])，試圖引進(jìn)一個(gè)包裹天線的倒置的橢圓錐介質(zhì)塊，在兩個(gè)緊密排布的單極子天線周圍形成一個(gè)介質(zhì)-空氣邊界。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)天線被激發(fā)的時(shí)候，介質(zhì)內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)“場谷”，將第二個(gè)天線放在谷中，以獲得良好的隔離度，以實(shí)現(xiàn)去耦效果。這項(xiàng)工作主要是對(duì)介質(zhì)塊的形狀和尺寸進(jìn)行優(yōu)化，以獲得更好的去耦效果。

 

本文的第二節(jié)內(nèi)容為天線設(shè)計(jì)，敘述天線的基本形狀和尺寸結(jié)構(gòu)。第三節(jié)為掃參對(duì)比，是對(duì)

天線尺寸的探究和優(yōu)化。第四部分為參考文獻(xiàn)。

 

二、天線設(shè)計(jì)

本節(jié)主要展示天線的基本構(gòu)造及相關(guān)參數(shù)，去耦機(jī)制在參考文獻(xiàn)[2]中有較好的解釋，這里

不再贅述。

基本構(gòu)造圖如圖 1 所示。

 

 

圖 １. 基本構(gòu)造圖

 

 

圖 ２.參數(shù)數(shù)據(jù)表格

 

三、掃參對(duì)比

由節(jié)Ⅱ提出的參數(shù)，即表 2 所示參數(shù)，經(jīng)過 CST 軟件仿真得到如圖 3、圖 4、圖 5 所示各結(jié)果。其中圖 3 展示為 S 參數(shù)，圖 4 展示為激勵(lì)單極子的電場分布，圖 5 展示為 E 面和 H 面的方向圖。

 

 

圖 ３. 基礎(chǔ)參數(shù) S 參數(shù)圖

 

圖 ４. 基礎(chǔ)參數(shù)單極子激勵(lì)電場分布（3.5GHz）

 

 

圖 ５. 基礎(chǔ)參數(shù)方向圖

 

為探究更好的去耦效果和方向圖，對(duì)參數(shù)：介質(zhì)錐體傾角 x、介質(zhì)錐體 x 軸長度 a、介質(zhì)高度 hd、介質(zhì)橢圓面 yx 軸長度比 k 進(jìn)行修改探究。

 

1.介質(zhì)錐體傾角 x 探究

基于節(jié)Ⅱ提出的參數(shù)設(shè)定其他參數(shù)不變，即表 2 基礎(chǔ)參數(shù)。依次修改傾角 x 為 20°和 40°。

得到仿真結(jié)果如圖 6、7、8；圖 9、10、11 所示。

 

 

圖 ６. 20°傾角 S 參數(shù)圖

 

 

圖 ７. 20°傾角單極子激勵(lì)電場分布（3.5GHz）

 

 

圖 ８. 20°傾角方向圖

 

 

圖 ９. 40°傾角 S 參數(shù)圖

 

 

圖 １０. 40°傾角單極子激勵(lì)電場分布（3.5GHz）

 

 

圖 １１. 40°傾角方向圖

 

通過對(duì)比圖 3、圖 6、圖 9，可明顯發(fā)現(xiàn)，隨著介質(zhì)錐體傾角的改變會(huì)帶來諧振點(diǎn)以及最佳隔離度對(duì)應(yīng)頻率的改變，為使得二者都在 3.5GHz 附近，應(yīng)選擇約 20°傾角。后面的探究將基于20°傾角的修正上進(jìn)行。

 

2.介質(zhì)錐體 x 軸長度 a 探究

除修真傾角 x 為 20°以外，基于節(jié)Ⅱ提出的參數(shù)設(shè)定其他參數(shù)不變，即表 2 基礎(chǔ)參數(shù)。依次修改錐體 x 軸長度 a 從 20mm 到 40mm。得到仿真結(jié)果如圖 12、13、14；圖 15、16、17 所示。

 

 

圖 １２. 錐體長度 20mm S 參數(shù)圖

 

 

圖 １３. 錐體長度 20mm 單極子激勵(lì)電場分布（3.5GHz）

 

 

圖 １４. 錐體長度 20mm 方向圖

 

 

圖 １５. 錐體長度 40mm S 參數(shù)圖

 

 

圖 １６. 錐體長度 40mm 單極子激勵(lì)電場分布（3.5GHz）

 

 

圖 １７. 錐體長度 40mm 方向圖

 

通過對(duì)比圖 6、圖 13、圖 16，可以得到當(dāng)錐體長度在 30mm 的時(shí)候，3.5GHz 下的隔離度最好，且諧振點(diǎn)在 3.5GHz 附近。對(duì)比圖 7、圖 13、圖 16，可以得到當(dāng)錐體在 20mm 和 30mm 的時(shí)候隔離度較好，優(yōu)于 40mm 下的隔離度，因此綜合考慮選擇錐體 x 軸長度參數(shù)為 30mm。

 

3.介質(zhì)高度 hd探究

除修正傾角 x 為 20°以外，基于節(jié)Ⅱ提出的參數(shù)設(shè)定其他參數(shù)不變，即表 2 基礎(chǔ)參數(shù)。依次修改錐體高度 hd 從 15mm 和 25mm。得到仿真結(jié)果如圖 18、19、20；圖 21、22、23 所示。

 

 

圖 １８. 錐體高度 15mm S 參數(shù)圖

 

 

圖 １９. 錐體高度 15mm 單極子激勵(lì)電場分布（3.5GHz）

 

 

圖 ２０. 錐體高度 15mm 方向圖

 

 

圖 ２１. 椎體高度 25mm S 參數(shù)圖

 

 

圖 ２２. 錐體高度 25mm 單極子激勵(lì)電場分布（3.5GHz）

 

 

圖 ２３. 錐體高度 25mm 方向圖

 

對(duì)比圖 6、圖 18、圖 21，不難發(fā)現(xiàn)，隨著錐體高度的增加，標(biāo)志隔離度的參數(shù) S12 曲線低谷越淺，但與之對(duì)應(yīng)的帶寬越大，因此綜合考慮選擇介質(zhì)錐體高度為 20mm 較為合適。圖 22 中尤為明顯的是，在 3.5GHz 處右側(cè)單極子激勵(lì)幾乎已經(jīng)消失，這是不符合工程要求的，對(duì)應(yīng)的曲線是圖 21 中 3.5GHz 處的 S11 數(shù)值過高。

 

4.介質(zhì)橢圓面 yx 軸長度比 k 探究

除修真傾角 x 為 20°以外，基于節(jié)Ⅱ提出的參數(shù)設(shè)定其他參數(shù)不變，即表 2 基礎(chǔ)參數(shù)。依次修改介質(zhì)橢圓面 yx 軸長度比 k 為 1 和 1.2。得到仿真結(jié)果如圖 24、25、26；圖 27、28、29所示。

 

 

 

 

對(duì)比圖 6、圖 24、圖 27，可得當(dāng)其他參數(shù)為設(shè)定參數(shù)時(shí)，軸比為 1.2 的 S12 峰值最低，也就是隔離度最佳，但是對(duì)應(yīng)頻率不在要求范圍內(nèi)，即 3.5GHz 附近，軸比為 1 的時(shí)候橢圓錐體退化為圓錐體，此時(shí)的隔離度不如軸比為 0.8 的情況。因此選擇介質(zhì)橢圓面 yx 軸長度比 k 為 0.8。

 

因此經(jīng)過以上仿真參數(shù)探討以及結(jié)果比對(duì)進(jìn)行糾正數(shù)據(jù)后，參數(shù)列表如圖 30 所示。

 

圖 ３０. 修繕后參數(shù)數(shù)據(jù)

 

資料來源：達(dá)索官方