面向Sub-6 GHz 5G应用的三频段圆形四分之一模基片集成波导1×2 MIMO天线设计与分析

《International Journal of Microwave and Wireless Technologies》：Design and analysis of the triple band circular quarter mode substrate integrated waveguide (QMSIW) 1 × 2 MIMO antenna

本文针对Sub-6 GHz 5G无线通信系统中多频段、高隔离度的天线需求，提出了一种基于圆形四分之一模基片集成波导(CQMSIW)技术的1×2 MIMO天线。研究人员通过加载八边形和圆形缝隙结构，成功实现了3.57 GHz、4.41 GHz和5.43 GHz三个工作频段，端口隔离度优于-15 dB，包络相关系数(ECC)<0.0001，分集增益(DG)>9.95 dB。该天线在WiMAX、WLAN、雷达系统等应用中展现出良好的性能，为5G多频段MIMO系统提供了紧凑高效的解决方案。

　　

在5G通信时代，Sub-6 GHz频段因其在覆盖范围和传输速率间的良好平衡，成为实现高速连接的关键。然而，传统微带天线在高频应用中存在效率低、制造公差敏感等问题，而金属波导器件又面临加工复杂、成本高的挑战。更棘手的是，随着设备功能集成度的提高，如何在有限空间内实现多频段工作并保证天线单元间的有效隔离，成为MIMO（多输入多输出）系统设计的核心难题。

在这一背景下，印度甘地技术与管理学院（GITAM）电子电气与通信工程系的V. Shiva Prasad Nayak和K. Manjunathachari在《International Journal of Microwave and Wireless Technologies》上发表了一项创新研究。他们巧妙地将基片集成波导(SIW)技术推向新高度，通过独特的结构设计，不仅实现了天线尺寸的大幅缩减，还成功开发出能同时工作在三个重要频段的高性能MIMO天线。

这项研究的核心技术突破在于对圆形SIW腔体的创新分割。研究人员首先将完整圆形SIW对称分割为半模结构(HMSIW)，尺寸减小50%；进而再次分割得到四分之一模结构(QMSIW)，最终尺寸仅为原始结构的25%，实现了75%的尺寸缩减。这种创新设计为天线的小型化奠定了基础。

天线设计采用分步优化策略，首先建立圆形SIW微带馈电结构，通过水平分割获得HMSIW，扩展基片后垂直分割得到QMSIW，最后在基片顶部加载八边形和两个圆形缝隙，底部加载矩形缝隙进行性能优化。整个优化过程通过电磁仿真工具完成，使用FR-4基板（介电常数4.4，厚度1.6 mm），最终尺寸为27×33.5×1.6 mm3。

天线性能验证

仿真和实测结果高度吻合，天线在3.57 GHz、4.41 GHz和5.43 GHz三个频点表现出良好的阻抗匹配，回波损耗(S₁₁)分别达到-23.66 dB、-25.44 dB和-16.10 dB。工作带宽分别为110 MHz（3.52-3.63 GHz）、100 MHz（4.36-4.46 GHz）和150 MHz（5.35-5.50 GHz），完全满足WiMAX、5G、WLAN等应用需求。

电压驻波比(VSWR)在各频点分别为1.141、1.118和1.367，验证了良好的阻抗匹配特性。增益方面，仿真与实测值高度一致：3.57 GHz时分别为4.98 dBi和5.092 dBi，4.41 GHz时为4.6 dBi和4.51 dBi，5.43 GHz时为3.06 dBi和3.075 dBi。

MIMO性能分析

研究人员将单个天线扩展为1×2 MIMO配置，两个辐射单元以180°相位差排列，间距经过优化。S参数测试显示，端口间隔离度在整个工作频带内优于-15 dB，满足MIMO系统要求。

为进一步提升隔离度，研究者在3.57 GHz频点引入了去耦枝节，使隔离度改善至-20 dB以下。MIMO关键参数评估显示，包络相关系数(ECC)低于0.0001，分集增益(DG)超过9.95 dB，平均有效增益(MEG)介于-3 dB至-4 dB之间，信道容量损失(CCL)低于0.3 bits/s，这些指标均表明该MIMO天线具有优异的信道独立性和分集性能。

辐射特性与效率

天线在三个频点均呈现稳定的双向辐射方向图，交叉极化比优于15 dB。辐射效率在3.57 GHz、4.41 GHz和5.43 GHz分别达到78%、81.02%和74.1%，总效率分别为76%、71.5%和72.89%，表现出良好的能量转换效能。

表面电流分析揭示了不同频点的工作机制：3.57 GHz时电流主要集中在辐射贴片，4.41 GHz时集中于八边形缝隙，5.43 GHz时在八边形和外圆形缝隙均有较强分布，解释了天线的多频段工作机理。

研究意义与创新价值

这项研究通过创新的CQMSIW结构设计，成功解决了多频段MIMO天线在小型化、高隔离度方面的技术难题。与现有技术相比，该天线在保持紧凑尺寸（54×33.5×1.6 mm3）的同时，实现了三频段工作、良好增益和优异的MIMO性能参数。

天线设计的核心创新在于将QMSIW技术与多缝隙加载相结合，既利用了SIW结构的高Q值、低损耗优点，又通过模式分割实现了尺寸缩减，通过缝隙耦合实现了多频段工作。这种设计方法为后续高性能MIMO天线的开发提供了新思路。

在实际应用层面，该天线覆盖的3.57 GHz（WiMAX/5G/固定无线接入）、4.41 GHz（卫星上下行/雷达系统）和5.43 GHz（Wi-Fi/DSRC/WLAN）频段，正好对应当前无线通信的热门应用场景，为5G设备的多频段集成提供了切实可行的解决方案。

研究团队通过系统的参数优化、仿真验证和实验测试，全面评估了天线的各项性能指标，为工程设计提供了可靠的数据支持。未来，这种设计方法可进一步扩展至更大规模的MIMO系统，或在毫米波频段寻求应用，为6G通信技术的发展奠定基础。

这项研究不仅展示了一种具体的天线设计方案，更重要的是提供了一种基于SIW技术的多频段MIMO天线设计范式，通过巧妙的结构创新平衡了性能、尺寸和复杂度之间的关系，为未来无线通信设备的小型化、多频段化发展指明了方向。