1、 1 应用于移动终端的低耦合 MIMO 天线设计 摘要： 本文选用 PIFA 天线作为天线单元，利用缺陷地结构设计了一款单频低耦合两单元 MIMO 天线，这款天线可以应用于手机等小型移动终端中。 PIFA是小型终端设备中经常采用的天线形式，它具有低剖面、小尺寸、易于制造和低成本等诸多优点。在强耦合 MIMO 天线的基础上，通过在两 PIFA 间的公共地板上开槽形成了具有阻带作用的缺陷地结构，达到了抑制地板电流和提高端口隔离度的目的，仿真结果表明设计的单频低耦合 PIFA阵列能够很好的满足 MIMO天线的设计要求。 Abstract： This paper selects PIFA antenn
2、a as the antenna element and uses Defected Ground Structure to design a single frequency low coupling two unit MIMO antenna， which can be applied to small mobile terminals like cell phone. PIFA is the antenna form often used in small terminal equipment， which has advantages including low profile， sm
3、all size， easy to manufacture and low cost. Based on tight coupling MIMO antenna， the defected ground structure is formed by slotting on the public floor between the two PIFA， achieving the goal of restraining floor current and improving port isolation. The simulation result shows that the single fr
4、equency low coupling PIFA array can well meet the design requirements of MIMO antenna. 2 关键词： MIMO天线； pifa天线；去耦；手机天线 Key words： MIMO antenna； pifa antenna； decoupling； mobile phone antenna 中图分类号： TN828.6 文献标识码： A 文章编号： 1006-4311（ 2016）01-0114-02 0 引言 MIMO（ Multi-Input and Multi-Output）表示多输入与多输出，就是在无
5、线信道中利用多个天线收发来抑制信道的衰落。对于无线信道而言，多径衰落是一个先天的缺陷，引起码间干扰，从而大大降低系统的性能，然而对于 MIMO 系统而言，多径效应被当做一个 有利因素加以利用， MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线，通过空间复用和增益分集大大改善无线通信系统的容量和可靠性。 多天线是 MIMO 系统的基础，各天线单元接收信号的相关性会严重影响 MIMO 系统的性能。对于尺寸限制较小的基站天线，端口隔离度可以通过增大单元间距来满足要求，但是对于尺寸要求更严格的手持移动终端，天线单元间的间距很小，导致端口隔离度低，达不到 MIMO 天线的设计要求。如何提高端口间的隔离度成为终端
6、 MIMO天线设计中关键性的一环。 在 MIMO技术应用加速发展的近些年，对于终端 MIMO天 线的研究越来越多。如何在 MIMO 终端设备狭小的空间内降低天线单元间的互耦已成为研究 MIMO技术的一个热点。传统阵列天线的去耦方法仍然对 MIMO天线的研究有很大的指导意义。从近几年的研究成果来看，主要包括 S 参数法、正交极化技术、增加寄生单元、缺陷地技术等。 3 文章中的天线模型采用美国 Ansoft公司的 HFSS V10进行仿真设计。HFSS 软件是一款基于有限元法分析微波工程问题的全波三维电磁仿真软件，它以无与伦比的仿真精度和可靠性、快捷的仿真速度、方便易用的操作界面、稳定成熟的自适应
7、网格剖分技术，成为三维电 磁计算仿真设计的首选工具和行业标准。 1 强耦合 MIMO天线设计 初始天线阵如图 1（ a）所示。两个 PIFA 完全相同，分别置于地板的两端。 PIFA边缘与相邻的地板边缘相距均为 1mm， PIFA阵列关于 X 轴对称。地板尺寸为 100mm 40mm，介质板材料采用 FR4-expoxy，介电常数 r=4.4，厚度为 1.55mm。 PIFA使用同轴馈电，同轴探针半径是 0.5mm，短路探针半径为 0.5mm。 通过 HFSS 软件仿真优化， PIFA 的谐振频率为 2.0GHz， 2.0GHz 处的反射系数为 -28.5dB，端口隔离度为 9.3dB， -1
8、0dB 带宽为 180MHz（ 1.935GHz-2.055GHz）。 从数据结果可以看出，即使两 PIFA 单元的间距超过了 /2，但是由于公共地板电流的影响，天线间的电磁耦合还是会比较严重（隔离度大于9.3dB），不能满足终端 MIMO天线端口间隔离度大于 15dB的要求。 2 低耦合 MIMO天线设计 上面设计的强耦合 PIFA阵列不能满足终端 MIMO天线对端口隔离度的要求，接下来通过地板上开槽来提高端口间的隔离度。在地板上开两条对称的槽， PIFA 阵列的结构图如图 1（ b） 所示。两条 /4 槽关于地板的中心（坐标原点）对称，槽长为 SL，槽宽为 SW，槽间距为 D。 4 去耦原
9、理：对称的 /4的双槽在谐振时会形成一个互耦的磁流环，其阻带作用相当于并联谐振 LC 电路的高阻状态。相比单槽通过改变电流路径抑制互耦，谐振双槽在两 PIFA 间的电磁耦合路径上插入了一个传输零点，可以进一步提高端口间的隔离度。 从仿真结果来看，槽的长度SL、宽度 SW和槽间距 D 会同时影响双槽的谐振和 PIFA天线的谐振。在固定适当的槽长（接近四分之一波长）和槽宽，容易通过调整槽间距 D 来获得最大的端口隔离度。 仿真结果如图 2 所示，从图中可以看出 S21 曲线在 2.0GHz 处有一个明显的凹陷， S21最小为 -30.5dB，即使在整个 -10dB频带内也低于 -27.4dB，较无
10、槽的互耦减小了 18.1dB。对称谐振双槽的插入有效地提高了天线端口间的隔离度。 天线的其他性能参数变化情况： 端口匹配：天线在无槽情况下匹配很好（ S11-25dB），开对称双槽时PIFA1匹配很好而 PIFA2匹配变差地板开槽会导致谐振槽与 PIFA间的互耦增大，破坏了原来的匹配状态。同时 PIFA1 的谐振程度好于 PIFA2（ S11=-28.6dB， S22=-19.8dB），这是由于整体天线结构不对称，槽对 PIFA2的耦合要大于对 PIFA1的耦合。 -10dB带宽：带宽变窄， PIFA1的 -10dB带宽由 130MHz减小到 80MHz，谐振槽与 PIFA的互耦使天线的带宽变
11、窄。 端口隔离度：端口隔离度增大， -10dB 带宽内对称双槽较无槽时的隔离度提高了 18.1dB。特别是在槽谐振频率处（ 2.0GHz），隔离度分别提高了 27.2dB。结果说明地板开槽技术可以使原始的强耦合 PIFA 阵列变为低5 耦合 PIFA阵列。 增益和辐射方向图：开槽降了 低天线的增益。相比无槽时 PIFA1 和PIFA2的增益两条对称槽时 PIFA1和 PIFA2的增益分别降低 1.2dB和 2dB。这是由于谐振槽会对天线的辐射方向图产生比较大的影响，使天线的全向性变得更好，这有利于其在移动终端设备的应用。 3 总结 本文设计了应用于 MIMO终端的单频低耦合双 PIFA阵，天线
12、的谐振频率是 2.0GHz。重点研究了地板开槽对天线间的电磁耦合的影响，发现地板开谐振双槽时去耦效果最好，端口间的耦合电流明显得到抑制，在整个带宽内端口隔离度至少提高 18.1dB，包络相关系数符合 MIMO天线设计标准；由于槽与 PIFA的互耦， PIFA的 -10dB带宽减小至 80MHz；辐射图的全向性变好，有利于天线应用到 MIMO移动终端设备上。 参考文献： 1肖扬 .MIMO多天线通信系统 M.人民邮电出版社， 2009. 2Chi-Yuk Chiu， Jie-Bang Yan and Ross D.Murch， Compact three-port orthogonally po
13、larized MIMO antennasJ. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2007， 6. 3M.Karaboikis， C.Soras， G.Tsachtsiris and V.Makios， Compact dual-orinted inverted-F antenna diversity systems for portable wireless devices. 4Lap K. Yeung， Yuanxun E. Wang， A decoupling technique for compact antenna arrays in handheld terminals. 6 5Mehrbod Mohajer ， Gholamreza Z. Rafi and Safieddin Safavi-Naeini， MIMO antenna design and optimization for mobile applications. 6肖扬 .MIMO多天线通信系统 M.人民邮电出版社， 2009. 7魏文元，宫德明，陈必森 .天线原理 M.北京：国防工业出版社，1985.
