面向Wi-Fi 7全双工通信的双端口双向圆极化超表面集成MIMO天线设计与性能验证

本研究针对Wi-Fi 7全双工通信中双向圆极化(CP)天线设计的空白，提出了一种基于超表面(MTS)的双端口MIMO天线方案。通过特征模分析(CMA)优化MTS网格单元，实现了18.15%的轴比带宽(ARBW)和56.46%的回波损耗带宽(RLBW)，隔离度达-22 dB，增益超6.5 dBic。该设计首次将双向CP特性与MTS集成相结合，为Wi-Fi 7系统提供了高隔离度全双工通信解决方案。

　　

随着Wi-Fi 7技术（基于IEEE 802.11be标准）的快速发展，无线通信系统对天线性能提出了更高要求。这项新一代技术可提供高达30 Gbps的传输速率，是Wi-Fi 6的四倍，同时支持sub 6 GHz多频段操作。然而，现有MIMO天线设计多局限于半双工通信，缺乏双向圆极化(CP)机制，难以满足全双工场景下同时收发信号的需求。此外，传统设计在隔离度、带宽和极化纯度等方面存在明显不足，制约了Wi-Fi 7在虚拟现实、工业自动化等新兴应用中的性能表现。

针对这些挑战，国内研究人员在《Engineering Science and Technology, an International Journal》发表了一项创新研究。团队开发了一种双端口双向CP超表面(MTS)集成MIMO天线，通过特征模分析(CMA)优化设计，采用耦合电流抑制技术提升隔离度，并利用3×4 MTS网格单元阵列实现双向辐射。实验验证采用Rohde & Schwarz ZNB26网络分析仪在微波暗室完成，测试距离设为3米远场。

研究结果部分：

1. 天线配置：设计采用双层FR-4基板（ε_r
   =4.3，tanδ=0.025），单端口天线包含圆形贴片（半径13 mm）和MTS网格单元（5.5×7.5 mm）。通过移除相邻MTS列实现-22 dB隔离度，较原始设计提升12 dB。

2. 单端口天线布局：三阶段优化显示，带条状截断槽的圆形贴片（长3.48 mm，宽1 mm）使ARBW达6.25-7.6 GHz。CMA证实模式1和4的正交性（相位差84°）是产生CP辐射的关键。

3. 双端口MIMO方案：镜像布置的两个单端口天线分别产生RHCP和LHCP，间距10 mm（<λ 2）。实测rlbw覆盖5-8.67 ghz（56.46%），arbw为6.26-7.44 ghz（18.15%），峰值增益达6.55>

4. 实验验证：辐射效率超80%，ECC<0.005，DG>9.985 dB，均优于同类设计。MEG≈-3 dB，TARC<-10 dB，CCL<0.5 bits/s/Hz，满足全双工通信要求。

这项研究的创新性在于首次将双向CP特性与MTS集成技术结合应用于Wi-Fi 7全双工系统。通过CMA指导的MTS设计，实现了模式可控的圆极化辐射；创新的去耦方法无需额外元件即可提升隔离度；紧凑的0.87×0.61×0.053 λ³
尺寸适合设备集成。相比文献报道的CP MIMO天线，该设计在带宽、隔离度和辐射效率等方面具有显著优势，为Wi-Fi 7终端设备提供了高性能天线解决方案。

研究证实，这种双向CP MTS-MIMO天线能有效解决全双工通信中的自干扰问题，RHCP/LHCP正交极化可将端口间串扰降至最低。其宽频带特性完美覆盖Wi-Fi 7的5.925-7.125 GHz工作频段，高增益和稳定辐射方向图确保在复杂环境下的信号可靠性。这些突破为智能家居、工业物联网等需要高速双向通信的场景提供了关键技术支撑，标志着无线通信天线设计进入新阶段。