1、关键词： MIMO天线；PIFA天线；中和线技术；隔离度ABSTRACT 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 s
2、ignal 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
3、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 ca
4、n 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
5、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 incr
6、easing 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
7、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 mo
8、re than 30 dB, can realize the omnidirectional radiation of the antenna.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 neutra
9、l 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; Pl
10、anar 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M
11、IMO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（MultipleInputMutipleOutput），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
12、达为:C=min（M,N）log2（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
13、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
14、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.C
15、ampbell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2-3，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
16、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
17、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
18、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
19、寸为56 mm56 mm0.8 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/ 4 I形开口槽。在每个补丁中蚀刻一个/ 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| S11 |-10 dB和| S21 |的高隔离度-20 dB。文献9提出一种尺寸为26.530 mm2的紧凑型双频段带缺口UWB-MIMO天线设计了两个相
20、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，
21、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0.115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50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S11-10 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
22、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
23、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501001.56mm3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
24、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
25、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
26、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
27、 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
28、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
29、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
