0 前言?

隨著新一代移動通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，大流量需求急速增加，終端用戶不斷增長，新型應(yīng)用層出不窮。在此背景下，多輸入多輸出技術(shù)（MIMO）已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)地成為當(dāng)代通信系統(tǒng)中提升頻譜效率的核心技術(shù)。然而，隨著第五代（5G）、第六代（6G）移動通信系統(tǒng)中天線數(shù)量急劇增加，頻帶分布更加擁擠，設(shè)計空間進一步壓縮，不同天線之間的電磁耦合會嚴重降低數(shù)據(jù)傳輸性能。因此，如何構(gòu)建小型化高隔離度的多天線系統(tǒng)，從而極大地提高信息的傳輸速率，是新一代移動通信發(fā)展急需解決的重要課題。運用各類電磁結(jié)構(gòu)抑制天線間的耦合是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界解決上述問題的一條有效途徑。然而，面對新一代通信系統(tǒng)寬頻帶、多頻帶、高耦合、多耦合等復(fù)雜應(yīng)用場景，傳統(tǒng)去耦方案難以滿足新的設(shè)計要求。

法動科技擁有多項實現(xiàn)高隔離小型化多天線陣列的新型技術(shù)，長期致力于實現(xiàn)各類復(fù)雜場景下的去耦技術(shù)研究。本期將介紹通過將單極子天線（Monopole）與空氣貼片天線（Patch）等距交錯排布，形成一種“套種式”的陣列排布方式以提高天線間的隔離度，該方案結(jié)構(gòu)簡單，效果顯著，適用于大規(guī)模高性能天線的設(shè)計。

1 “套種式”Monopole-Patch陣列

圖1. “套種式”天線陣列排布方式

（a）

(b)

圖2. 雙單元陣列結(jié)構(gòu)圖。(a)俯視圖；(b)側(cè)視圖

圖1展示了“套種式”Monopole-Patch天線陣列的排布方式，由單極子天線與空氣貼片天線等距交錯排布構(gòu)成，與傳統(tǒng)高隔離天線陣列相比，該陣列主要有如下幾個優(yōu)點。1）由于單極子天線幾乎不占用橫向尺寸，可實現(xiàn)緊湊型排布（<0.5波長）。2）該陣列由全金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)建，物料成本低、損耗?。o介質(zhì)損耗）、可靠性高、輻射效率高。3）所提出的去耦結(jié)構(gòu)不影響空氣貼片天線的交叉極化。圖2展示了雙單元陣列（兩個貼片天線與三個單極子天線）的結(jié)構(gòu)版圖，每個貼片天線中間有一條矩形槽，目的是進一步減小天線尺寸。

2 天線去耦機理

(a)

(b)

(c)

圖3. 去耦機理。 (a)空氣貼片天線之間的耦合示意圖； (b)貼片天線與單極子之間的耦合示意圖； (c)“套種式”Monopole-Patch陣列不同單元之間的耦合示意圖 ? ? ? ? 圖3展示了“套種式”天線陣列的去耦機理。圖3(a)所示為雙單元空氣貼片天線間的耦合場，當(dāng)左邊的貼片被激勵，右邊的貼片被感應(yīng)，則會形成從激勵端指向耦合端的的強耦合場C1（電容耦合）；圖3(b)所示為當(dāng)貼片天線被激勵，相鄰單極子被感應(yīng)從而產(chǎn)生的另一種耦合場C2?？梢钥吹皆趩螛O子的右側(cè)所形成的的耦合場方向與C1正好相反；圖3(c)所示為貼片天線之間套種一個單極子，通過調(diào)試單極子的尺寸使單極子右側(cè)的兩種耦合場等幅反向，相互抵消，從而實現(xiàn)高隔離度的“套種式”天線陣列。

3關(guān)鍵參數(shù)對天線性能的影響

圖4.(a) 單極子的長度對隔離度的影響；

(b) 單極子的位置對隔離度的影響

圖5. 貼片天線的饋電位置對天線匹配的影響 ????????

圖4與圖5展示了關(guān)鍵參量對“套種式”天線陣列性能的影響。其中，單極子的尺寸與位置主要決定了隔離度的高低，空氣貼片的饋點位置主要決定了端口的匹配程度。該天線陣列整體結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)試。

4 實驗測試結(jié)果

圖6. 四單元陣列結(jié)構(gòu)對比圖。

(a)傳統(tǒng)空氣貼片陣列，正面；

(b)“套種式”Monopole-Patch陣列，正面；

(c)傳統(tǒng)空氣貼片陣列，反面；

(d)“套種式”Monopole-Patch陣列，反面

圖7. 測量的S參數(shù)對比圖。

(a)傳統(tǒng)空氣貼片陣列；

(b)“套種式”Monopole-Patch陣列

圖8. 天線效率對比圖

圖9. 測量的輻射方向圖對比圖。

(a)傳統(tǒng)空氣貼片天線H面；

(b)“套種式”Monopole-Patch 天線H面；

(c)傳統(tǒng)空氣貼片天線E面；

(d)“套種式”Monopole-Patch 天線E面

圖6展示了傳統(tǒng)空氣貼片陣列與本文所提出的“套種式”Monopole-Patch陣列結(jié)構(gòu)對比圖。圖7-9展示了兩個陣列所測量的各個性能對比圖?？梢?，與傳統(tǒng)貼片天線陣列相比，“套種式”Monopole-Patch陣列具有帶寬寬、耦合低、效率高、增益高等特點。綜上所述，本文所提出的“套種式”Monopole-Patch陣列在MIMO無線通信系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

編輯：黃飛

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