0 前言?

隨著新一代移動通信系統的快速發展，大流量需求急速增加，終端用戶不斷增長，新型應用層出不窮。在此背景下，多輸入多輸出技術（MIMO）已經不可逆轉地成為當代通信系統中提升頻譜效率的核心技術。然而，隨著第五代（5G）、第六代（6G）移動通信系統中天線數量急劇增加，頻帶分布更加擁擠，設計空間進一步壓縮，不同天線之間的電磁耦合會嚴重降低數據傳輸性能。因此，如何構建小型化高隔離度的多天線系統，從而極大地提高信息的傳輸速率，是新一代移動通信發展急需解決的重要課題。運用各類電磁結構抑制天線間的耦合是學術界和工業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寬頻帶、多頻帶、高耦合、多耦合等復雜應用場景，傳統去耦方案難以滿足新的設計要求。

法動科技擁有多項實現高隔離小型化多天線陣列的新型技術，長期致力于實現各類復雜場景下的去耦技術研究。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，該方案結構簡單，效果顯著，適用于大規模高性能天線的設計。

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. 雙單元陣列結構圖。(a)俯視圖；(b)側視圖

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成，與傳統高隔離天線陣列相比，該陣列主要有如下幾個優點。1）由于單極子天線幾乎不占用橫向尺寸，可實現緊湊型排布（<0.5波長）。2）該陣列由全金屬結構構建，物料成本低、損耗小（無介質損耗）、可靠性高、輻射效率高。3）所提出的去耦結構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）的結構版圖，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，當左邊的貼片被激勵，右邊的貼片被感應，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)所示為當貼片天線被激勵，相鄰單極子被感應從而產生的另一種耦合場C2。可以看到在單極子的右側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，通過調試單極子的尺寸使單極子右側的兩種耦合場等幅反向，相互抵消，從而實現高隔離度的“套種式”天線陣列。

3關鍵參數對天線性能的影響

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。該天線陣列整體結構簡單，易于調試。

4 實驗測試結果

圖6. 四單元陣列結構對比圖。

(a)傳統空氣貼片陣列，正面；

(b)“套種式”Monopole-Patch陣列，正面；

(c)傳統空氣貼片陣列，反面；

(d)“套種式”Monopole-Patch陣列，反面

圖7. 測量的S參數對比圖。

(a)傳統空氣貼片陣列；

(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)傳統空氣貼片天線H面；

(b)“套種式”Monopole-Patch 天線H面；

(c)傳統空氣貼片天線E面；

(d)“套種式”Monopole-Patch 天線E面

圖6展示了傳統空氣貼片陣列與本文所提出的“套種式”Monopole-Patch陣列結構對比圖。圖7-9展示了兩個陣列所測量的各個性能對比圖。可見，與傳統貼片天線陣列相比，“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無線通信系統中有著廣泛的應用前景。

編輯：黃飛

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