基于新型人工电磁材料的平面紧凑型低互耦MIMO天线

Metamaterial-Based Planar Compact MIMO Antenna with Low Mutual Coupling

Jie Li, Jia-Bei Zhao, Jia-Jun Liang, Lin-Lin Zhong and Jing-Song, Hong，电子科技大学，成都

在两个对称印制的5.8GHz MIMO天线单元中间放置新型人工电磁材料结构，是一种有效的抑制天线单元间表面波的方式，从而可减小天线单元间的互耦。本文设计的天线具有大于24dB的隔离度，同时还具有良好的辐射方向图、天线效率以及增益。

多输入多输出（MIMO）技术可以被用来提高无线链路传输速率及其可靠性^1-2。然而，当多个天线的摆放距离很近时，将会由于天线间互耦的存在而导致整个系统性能下降。研究者们提出了许多不同的方法来减小天线之间的互耦。例如，Farahani等人³和Coulombe等人⁴利用了电磁带隙结构（EBG）来减小互耦。其他人还提出可以使用缺陷地结构（DGS）或者通过在地板上刻蚀狭缝的方法^5-7减小互耦。Tang等人⁸和Liu等人⁹在相距很近的辐射单元中间使用去耦结构来减小互耦，使之可以用于超宽带（UWB）技术领域。

新型人工电磁材料（metamaterial）具有独特的电磁特性，在过去的十几年中吸引了许多研究者们的目光。新型人工电磁材料单元通常以亚波长周期重复排列。从宏观角度来说，介电常数为负值、磁导率为负值、或者介电常数和磁导率同时为负值的材料都可以通过设计新型人工电磁材料的单元结构并优化其尺寸来实现¹⁰。

最近，新型人工电磁材料结构的应用领域被扩展至MIMO天线的设计。例如，Yang等人²提出在两个微带贴片之间插入波导新型人工电磁材料，可以在3.5GHz到3.55GHz范围内将两个天线单元之间的互耦减小约6dB。Ketzaki和Yioultsis¹⁰利用矩形环状谐振器分别实现了2.45GHz的两个单极子和三个单极子之间良好的隔离度。互补型开口谐振环可用于2.45GHz工业科学医疗频段的天线小型化¹¹。5.5GHz的螺旋谐振器可以减小由四个贴片单元间的强烈互耦引起的MIMO系统性能退化¹²。在本文中，矩形环状谐振器作为新型人工电磁材料单元被用于紧凑型MIMO天线设计。

 天线设计

开口谐振环最早由Pendry¹³提出，由于其具有负磁导率，已经被用于多种类型的MIMO天线设计。我们使用开口矩形环结构同样也是利用其负磁导率。通过调节这种特殊的新型人工电磁材料单元结构的几何形状和尺寸，相比于其他形式的谐振环，开口矩形环结构可以表现出更好的对于缝隙电容的控制性。

矩形环谐振器设计

如图1所示，单元结构被刻蚀在1.6mm厚的FR-4介质基板上，该介质基板的相对介电常数ε_r=4.6，正切角损耗在5.8GHz频率处为tanδ=0.019。图1a给出了单元结构的二维平面图，具体尺寸如下：a=4.2mm，b=2.4mm，c=1.7mm，d=1mm，e=4.8mm，f=3mm，s=0.2mm。图1b给出了在x、y、z轴上尺寸对应3×4.8×1.6mm³的单元结构示意图。平面电磁波沿x轴入射，其磁场方向沿z轴，电场方向沿y轴。沿y方向的边界条件（x-z平面）设置为理想电导体。单元结构的等效磁导率由参数反演技术来确定^{10, 14}，如图2所示，5.8GHz时磁导率的实部为负值。

图1 新型人工电磁材料单元结构；（a）二维视图；（b）三维视图。

图2 新型人工电磁材料磁导率的实部和虚部。

基于新型人工电磁材料的MIMO天线

微带阵列天线（如图3）由具有两个开口L形缝隙的地板（仰视图）、FR-4介质基板以及介质基板上的两个U形贴片单元（俯视图）组成。四行开口矩形环谐振器被用来减小相邻两个辐射单元之间的互耦，每一行包括3个单元。图1中所示的单个开口谐振环结构足够提供理想电感，且仍然满足具有亚波长尺寸的条件。表1中罗列了图3所示的MIMO天线的具体尺寸。

图3 天线几何结构；（a）俯视图；（b）仰视图。

实验结果

在HFSS中对天线进行建模，开口谐振环的尺寸除了缝隙电容外均为固定值，缝隙电容值由c的长度确定。图4给出了当c的长度从1.6mm到1.75mm变化时的反射系数变化情况，谐振频率也因此发生变化。当c=1.7mm时，谐振发生在5.8GHz。

图4 反射系数随c长度的变化情况。

天线性能（如图5）在暗室中测量，并和仿真结果进行了对比，测量结果和仿真结果非常吻合。仿真结果显示所设计天线在5.8GHz处谐振，反射系数为-32.7dB，在实验结果中，所设计天线在5.82GHz处谐振，反射系数为-26.2dB。天线的阻抗带宽大约为1040MHz（4.93GHz到5.97GHz），阻抗带宽定义为回波损耗小于10dB的频率范围。

图5 实验和仿真得到的反射系数随频率的变化情况。

图6给出了仿真和测试的MIMO天线相邻两个单元之间的隔离度。在5.8GHz处，没有开口谐振环结构时隔离度为15.3dB。当开口谐振环结构放置于两个天线单元中间时，隔离度增加至27.5dB（仿真）和24.6dB（实验）。也就是说，互耦分别被降低了大约12.2dB和9.3dB。图5和图6中实验结果相对于仿真结果的微小频率偏移是由于加工误差造成的。

图6 实验和仿真得到的隔离度。

图7中将5.8GHz的MIMO天线在一个端口激励，另一个端口接50欧姆负载的情况下，x-z（H）平面和y-z（E）平面的实验和仿真辐射方向图进行了对比。结果显示，天线表现出准全向辐射特性。实验结果再一次和仿真结果十分吻合。天线的测量峰值增益在图8中给出，在5GHz到6.5GHz频率范围内，增益约为1.9dBi到3.7dBi，在谐振频率5.8GHz处增益为2.14dBi。实验测得的5.8GHz时的辐射效率为71%（如图9）。

图7 5.8GHz时实验和仿真的辐射方向图；（a）x-z平面；（b）y-z平面。

图8 天线的实测增益。

图9 天线的实测辐射效率。

结论

本文设计了一个小尺寸（25×40×1.6mm³）的印制微带馈电的缝隙天线。MIMO辐射单元之间的距离仅为0.166λ，通过在单元之间放置基于新型人工电磁材料的具有负磁导率的结构来减小它们之间的互耦。这种方法使得互耦在工作频率可以降低9dB。与其他去耦技术相比，本文采用的方法提供了一种控制相距很近的微带贴片之间电磁波传播的有效方法，并在这一方面具有优势。另外，MIMO天线的全平面性得到了保留，天线制作过程也非常简单直接。

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