双带2×2 MIMO天线，基于半模式SiW的紧凑尺寸和高隔离

抽象的

提出了一种基于半模基片集成波导(HMSIW)的高隔离双频2 × 2多输入多输出(MIMO)天线。天线单元的双频工作是通过在HMSIW腔的辐射孔径外加载矩形贴片来实现的。HMSIW谐振腔是由同轴探头激发的，而矩形贴片是通过HMSIW的辐射孔径近距离耦合激发的。通过2 × 2阵列的旋转和正交布置，可以将天线单元紧密放置。MIMO天线中心的小中和线可以在低频段和高频段分别增加约10 dB和5 dB的元件间的隔离。制作了MIMO天线的原型，并对其性能进行了测试。测试结果表明，谐振频率集中在4.43 GHz和5.39 GHz，带宽分别为110 MHz和80 MHz，峰值增益分别为6和6.4 dBi。两个频段的最小隔离值均大于35 dB。在两个工作频段内，包络相关系数均小于0.005。

1.介绍

天线系统支持多种无线标准，具有紧凑的尺寸是未来便携式设备的迫切需要。多输入多输出(MIMO)天线技术已成为未来便携式设备的关键，因为它能够在不增加功率和带宽的情况下提高数据吞吐量[1］．因此，需要开发紧凑的多频带天线以支持多功能MIMO系统。紧凑型双频带MIMO天线的元件之间的高隔离对于通信系统的性能很重要。

文献中介绍了几种采用不同解耦技术获得的双频MIMO天线;这些通常概括为两种类型。第一类涉及不插入任何解耦结构的解耦天线元件;在这里，解耦可以使用空间[2),模式(3.，两极分化[4］．空间分集可以通过布置两个或多个天线单元来实现，使它们之间有一个宽阔的空间;因此，这种MIMO天线具有较大的尺寸。通过在一个有角度的空间上识别天线单元，可以实现模式分集;通过正交排列天线单元，可以实现极化分集。由于这些元素可以紧密地排列在一起，因此首选图形和极化差异。然而，当使用两个以上的紧密间隔天线时，耦合很难控制。

MIMO天线的第二类解耦涉及在天线元件之间插入解耦结构以阻止或抑制耦合，其中包括有缺陷的接地结构[5，互补分环谐振器[6，电磁带隙[7，中和线[8， t形短节[9]、环条[10］．然而，这些结构增加了天线单元之间的空间，导致更大的天线尺寸。结合以上两种方法可以实现高隔离[11- - - - - -15］．

本文提出了一种将矩形贴片加载到半模基板集成波导(HMSIW)腔孔外的双频天线单元。结合空间分集和极化分集，利用小中和线(SNLs)，提出了一种高隔离、双频工作的2 × 2 MIMO天线。为了验证所提出的天线，制作了一个样机，并对其性能进行了测试。本文安排如下。节2，讨论了所提出的双频天线单元的设计过程。在第3节介绍了四元MIMO天线，并对其解耦机理进行了说明。制作和测量结果在第4节．本文的结论见第5节．

2.双频天线元件

提出了一种通过在HMSIW腔外加载矩形贴片获得的双频天线单元，如图所示1．天线单元只有一层基板层，基板的底面为金属接地面。HMSIW天线由同轴探针馈电，而贴片天线通过HMSIW天线的辐射孔径进行近距离耦合激励。HMSIW天线产生下频段，而加载补丁产生上频段。

所提出的双频天线单元的几何尺寸如图所示2．HMSIW腔的大小是W×W贴片的尺寸是l_p×W_p．耦合间隙指定为G．要与传统的金属腔等效，其直径d和球场年代通过孔的HMSIW腔必须满足条件d / s≥0.5和d /λ₀≤0.1 (16］．

天线单元设计在Rogers Duroid 5880的单层基底上，其相对介电常数为2.2，切线损耗为0.0009，厚度为1.57 mm。利用高频结构模拟器对天线进行了分析和仿真。天线单元的最优参数为W= 40毫米,l_p= 18毫米,W_p= 20毫米，和G= 0.4毫米。所提出的双频天线的模拟反射系数如图所示3.．两个模拟共振分别出现在4.46和5.38 GHz。

数字4描述了在f_l = 4.46 GHz andf_H= 5.38 GHz。数字4(一)示出电力沿着HMSIW腔的孔径的边缘集中，这意味着谐振模式f_l= 4.46 GHz是由HMSIW腔产生的。相比之下，电场主要集中在贴片的两侧f_H= 5.38 GHz，如图所示4 (b)．

3.双频2 × 2 MIMO天线

３.１.研制出天线配置

通过复制和旋转中描述的天线元件来提出阵列的初始配置第2节．如图所示5，元素对（1,4）和（2,3）提供空间分集，而对（1,2）和（1,3）的正交布置导致偏振分集。通过利用空间和偏振多样性来实现良好的孤立。天线元件的接地平面通过距离分离 进一步改善隔离。MIMO天线的尺寸为82×82mm。

四元素MIMO天线的模拟S参数在图中描绘6．由于对称排列，|S₁₂| = |年代₄₂| = |年代₃₄| = |年代₁₃|和|₁₄| = |年代₂₃|;因此,只有|₁₁| |年代₁₂| |年代₁₃|和|年代₁₄此处显示|。年代₁₁表明天线在4.46和5.38 GHz共振，这两个频率与图中元件的谐振频率相同3.．两个频段中最小隔离水平优于25 dB。

３．２．四元阵列的隔离增强

如图所示7，在MIMO天线的散热器之间插入4个snl，在不增加原MIMO天线尺寸的情况下，进一步降低耦合电流。snl创造了额外的电流路径，将一部分电流从一个元件传输到另一个元件，并以合适的幅度和相反的相位将其反馈到另一个元件，从而消除了耦合。每个SNL被放置在远离天线元件的开口端低阻抗区，在那里电流强度最高。通过调整snl的位置可以控制去耦电流。数字8显示了地理位置的影响d_问在隔离。当定位时，在两个频段内实现了高于35 dB的隔离d_问5毫米。

为了进一步了解SNL对隔离增强的贡献，在4.46和5.38GHz的情况下，具有和不带SNL的模拟电流分布9．当元素1被激发并引入snl时，其他元素(2,3,4)中的电流强度降低。数字9表明snl在低频段比在高频段更有效。

数字10给出了具有SNLs结构的2 × 2 MIMO天线的s参数仿真。模拟的两个共振出现在4.46和5.38 GHz，两个频段的隔离度均高于35 dB。这意味着两个频段的隔离比没有snl的MIMO天线提高了约10 dB。

4.制造和测量

如图所示11，制作了MIMO天线的原型，验证了其有效性。

4．1.的参数

采用安捷伦N5227A矢量网络分析仪测量s参数。如图所示12，测量的s₁₁在4.43和5.39 GHz时谐振。两个带中的测量最小隔离级别高于35 dB。所得结果与仿真结果吻合较好。

4.2。辐射模式

在透明室中测量制造天线的辐射图案，并与模拟结果进行比较。由于天线结构的对称性，仅示出了元件1的辐射图案。如图所示13， 4.46和5.38 GHz的模拟辐射图与实测辐射图吻合较好。测量增益分别为6和6.4 dBi，交叉极化水平均低于−14 dB。所得结果与仿真结果吻合较好。

4．3．多样性的性能

采用包络相关系数(ECC)、分集增益(DG)、全有源反射系数(TARC)、平均有效增益(MEG)和信道容量损失(CCL)描述MIMO天线的分集性能。

在MIMO天线分析中，ECC被认为是一个重要的因素。为了提高MIMO天线的性能，工作频率的ECC < 0.5是必不可少的。ECC可以通过使用s参数中的任意一个来计算[15或三维远场[12]： 在哪里F_我（θ,φ)是一个复杂的矢量，它表示从我元素。符号“”和“分别表示厄米积和复共轭。本文采用这两种方法计算了ECC。为简便起见,只有ρ₁₂和ρ₁₄提出了在这里。如图所示14和15，计算机的ECC小于两个操作带小于0.005，这满足要求ECC <0.5并表示良好的系统性能。用于查找ECC的3D远场方法提供更准确的结果[17］．

DG决定了使用多天线系统比使用单天线系统获得的增强效果。ECC与DG的关系可以描述为[12］

可以从(2)，低ECC引出，保证高DG。在理想情况下(ρ_ij= 0)时，DG = 10db。如图所示16时，上、下工作频带内最高ECC值计算DG均大于9.99 dB，保证了良好的分集性能。

TARC是总反射功率的平方根除以总入射功率的平方根。它可以使用以下关系来计算[18]： 在哪里b_我和一个_我分别代表反射和入射信号，N为天线单元数。计算得到的TARC如图所示17．可以看出，TARC横跨两个操作带优于-10 dB。

MEG被定义为平均接收功率与天线的平均入射功率的比率。如果天线效率为100％，则最大MEG为-3 dB [19］．它可以用下面的公式计算[20.]： 在哪里G_θ和G_φ分别是,θ和φ天线功率增益模式的偏振分量。Г是事件场的交叉极化辨别。MEG的比例应满足以下条件，以保证良好的渠道特征[21]：

在我们的设计中，所有四个元素的平均磁图都达到了-3.2 dB。MEG的比值_我/梅_j满足条件的0.937左右（5)．

由相关性引起的CCL可以表示为[22］ Ψ在哪里^R为相关矩阵。数字18结果表明，所提出的MIMO天线在两个工作频段均能达到低于0.2 CCL的值(理想情况下，CCL应小于0.4 bits/s/Hz)。我们可以得出结论，所提出的MIMO天线的分集性能适用于高质量的MIMO天线系统。

将所提出的MIMO天线与最近的四元MIMO天线的性能进行了比较1．我们的2 × 2 MIMO天线具有最高的隔离和增益。该天线还具有最小的边缘单元间距。该工作的尺寸小于[14]大致等于天线[15]，并大于[11- - - - - -13］．我们的设计具有最小的包络相关系数，保证了良好的分集性能。在本设计中，我们使用同轴探针来激发双频天线元件。综上所述，我们提出的2 × 2 MIMO天线具有最高的隔离、最高的增益、最小的边到边单元间距和最低的包络相关系数。

5.结论

本文提出和制造了近距离间隔的双频带2×2 MIMO天线。通过利用空间和偏振多样性来实现良好的孤立。通过在天线元件的散热器之间插入MIMO天线的中心而不增加原始MIMO天线的尺寸来实现约10dB的隔离增强。只有0.036.λ₀两波段的隔离度均大于35 dB。此外，所提出的MIMO天线的分集性能适用于高质量的MIMO天线系统。

数据可用性

所有用于支持这项研究结果的模拟和测量数据都包含在文章中。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

国家自然科学基金面上项目(no . 61771300)。

参考文献

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