小型化高隔离度超宽带MIMO天线的研究与设计

作     者：王明寰 

作者单位：辽宁工程技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：南敬昌

授予年度：2022年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：超宽带天线 小型化 多输入多输出天线 高隔离度 多个X形枝节 极化分集 阶梯形缺陷地面结构 

摘      要：随着无线通信领域的快速发展,人们对通信质量与高速率的要求随之提高。为了提高系统容量和可靠性提出了MIMO技术。其中,系统中多个天线元件的加载即构成了MIMO天线。由于UWB系统具有多径衰落的缺点,故将MIMO技术引入到UWB系统中,从而提供高容量和高速的无线通信。针对现有的大部分UWB MIMO天线存在无法兼备小型化和高隔离度性能,且存在多个天线元件的接地平面不共用的问题,本论文提出共地且实现小型化和高隔离度的UWB MIMO天线具有重要的意义和应用价值。本论文对UWB MIMO天线的小型化和高隔离度展开研究,具体创新工作如下:针对加载寄生枝节提高隔离度的方法会增加天线整体设计尺寸,并且会带来大部分MIMO天线的接地平面不共用的问题。以设计的第一款UWB天线为基础,提出了二端口和四端口MIMO天线。利用小型化天线元件的设计有助于MIMO天线小型化实现的设计方法,通过将采用曲流技术实现小型化的天线元件倒置放置在同一介质基板上,并在二端口天线的接地平面间加载三个交叉的X形枝节,保证天线结构小型化和共用一个接地平面的同时改善了天线的隔离度。进一步将二端口天线扩展为四端口天线,采用相同的接地平面连接结构,验证了此隔离结构同样适用于四端口天线的去耦设计。针对采用分集技术的MIMO天线中的天线元件彼此正交放置会增大天线尺寸的问题,提出了半圆形二端口MIMO天线。通过将采用对半均分技术实现小型化的天线元件倒置放置在同一介质基板上,并利用两个半圆形天线元件固有的定向辐射特性,保证了天线小型化的同时实现更高的隔离度。针对采用缺陷地面结构会改变天线的上下频段的问题,以设计的第二款UWB天线为基础,提出了二端口MIMO天线。通过在无缝连接的两半圆形天线元件的接地平面中央加载阶梯形凹槽,在保证天线的上下工作频段的同时实现了更高的隔离度。将以设计的第二款小型化半圆形天线元件构成的二端口MIMO天线扩展为天线元件彼此正交放置的八端口MIMO天线。同样采用加载交叉枝节的接地平面连接结构,验证了此类隔离结构同样适用于八端口天线的去耦设计。通过对设计的UWB MIMO天线进行仿真和实物测试可知,所设计的MIMO天线均可在UWB频段内实现大于20d B的隔离度。同时,小型化的尺寸、良好的辐射特性以及满足设计要求的包络相关系数可应用于现代MIMO通信系统中,相关研究为其商业化的应用提供了理论支撑。该论文有图71幅,表4个,参考文献95篇。