面向5G毫米波应用的小型化四端口圆极化MIMO天线设计与性能增强研究

《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》：A Miniaturized Quad-Port Circularly Polarized MIMO Antenna for mmWave Wireless Applications

本刊编辑推荐：为解决毫米波频段MIMO天线系统中互耦严重、增益不足和极化失配问题，研究人员开展了基于开口环谐振器（SRR）反射器与十字形缝隙接地结构的小型化四端口圆极化（CP）MIMO天线研究。该天线在28 GHz频段实现25.80-28.96 GHz阻抗带宽（IBW）和26.56-28.96 GHz轴比带宽（ARBW），隔离度≤-22 dB，增益达6.0 dBic，辐射效率超94%。其通过等效电路模型验证了设计有效性，并展现出低包络相关系数（ECC<0.002）、高分集增益（DG>9.99 dB）等优异分集性能，为5G毫米波智能设备提供了紧凑高效的通信解决方案。

　　

随着第五代移动通信（5G）技术的飞速发展，毫米波频段因其大带宽优势成为提升数据传输速率的关键。然而，在毫米波频段实现高性能多输入多输出（MIMO）天线系统仍面临三大挑战：首先，天线单元间强互耦会导致信号失真和阻抗失配；其次，线性极化天线在复杂传播环境中易产生极化失配问题；此外，设备小型化需求与高性能指标（如高隔离度、宽波束覆盖）之间存在固有矛盾。传统解决方案往往顾此失彼——增加单元间距虽能降低互耦却牺牲紧凑性，采用复杂去耦结构又会增加工艺难度。如何在小至1.31λ₀×1.31λ₀×0.047λ₀的空间内实现四端口圆极化MIMO天线的高效协同工作，成为学术界与工业界共同关注的焦点。

为攻克这些难题，Abdul Majeed等人创新性地提出了一种融合十字形缝隙接地结构与SRR反射器的复合去耦方案。该设计通过微带线馈电的矩形开槽天线激发圆极化波，利用接地板上的十字形缝隙阻断表面波传播路径，再通过悬浮于天线上方的SRR阵列实现电磁波定向调控。这种"接地缺陷+超表面反射"的协同机制，在《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》发表的论文中展现出突破性性能：在28 GHz中心频点实现阻抗带宽与轴比带宽完全重叠，隔离度较传统设计提升40%，同时将增益提高1 dBic至6.0 dBic。尤为重要的是，天线在保持94%辐射效率的同时，其包络相关系数低至0.002，远超MIMO系统0.1的阈值要求，为毫米波终端设备提供了兼具极化分集与空间分集优势的硬件平台。

关键技术方法包括：采用传输线理论计算微带贴片天线初始尺寸，通过CST Microwave Studio进行电磁仿真优化；利用开口环谐振器（SRR）单元等效LC电路模型设计反射器；通过矢量网络分析仪（VNA-ZVA 40）在微波暗室中测量S参数、辐射方向图等性能指标；基于辐射场方向图计算包络相关系数（ECC）、分集增益（DG）等MIMO分集参数。

天线设计方法论

研究人员通过三步优化法构建天线核心结构：首先设计微带线馈电的矩形缝隙天线（Step-I），随后引入十字形缝隙（Step-II）改善隔离度，最终通过矩形切口（Step-III）实现圆极化特性。仿真结果显示，最终版天线在26.69-28.96 GHz频段同时满足-10 dB阻抗匹配与3 dB轴比要求，证明其有效生成圆极化波的能力。接地板上的十字形缝隙使表面电流分布发生显著改变，将单元间隔离度从-18 dB提升至-20 dB以下，而仅0.42λ₀的单元间距保持了整体结构的紧凑性。

SRR反射器增强机制

SRR单元通过等效LC电路产生带阻特性，在27.5-28.5 GHz频段呈现≤-65 dB的传输系数，使其成为高效电磁波反射器。当2×2 SRR阵列以4.2 mm空气间隙悬浮于天线上方时，不仅将天线增益提升至6 dBic，还通过重构近场分布将端口隔离度进一步优化至-22 dB以下。电场分布图显示，SRR结构有效阻断了天线单元间的近场耦合路径，同时将辐射能量向空间定向反射，实现增益与隔离度的同步提升。

等效电路模型验证

通过提取天线输入阻抗的实部与虚部，建立包含RLC集总元件的等效电路模型。计算表明当输入电抗为正值时呈现感性特征（L=X_in/ω），负值则对应容性特征（C=-1/ωX_in）。采用ADS软件仿真四端口耦合电路，其S参数曲线与CST全波仿真结果高度吻合，验证了电路模型的准确性。该模型为天线性能预测提供了快速计算工具，特别适用于MIMO系统的初始设计阶段。

实验验证结果

加工实物采用Rogers RO4003C（ε_r=3.55，h=0.305 mm）和RT5880（h₁=0.508 mm）基材，测试结果显示实测阻抗带宽（26.56-29.36 GHz）与轴比带宽（26.56-28.96 GHz）的重叠度达10.01%，增益曲线在频带内保持平稳。辐射方向图在φ=0°和φ=90°切面均呈现典型圆极化特征，右旋圆极化（RHCP）分量较左旋圆极化（LHCP）高15 dB以上，表明良好的极化纯度。实测辐射效率≥94%与仿真结果一致，验证了设计方案的可行性。

分集性能分析

通过辐射方向图积分计算的包络相关系数（ECC）在全频带低于0.002，远优于0.1的行业标准。分集增益（DG）持续高于9.99 dB，均值有效增益（MEG）保持在-6 dB以下，信道容量损耗（CCL）不超过0.25 bits/sec/Hz。这些指标共同证明该MIMO系统在多径环境下能维持稳定的信号质量，为毫米波通信的可靠性提供了硬件保障。

研究结论表明，这种融合十字形缝隙与SRR反射器的复合去耦策略，成功实现了毫米波MIMO天线的小型化与高性能协同优化。其创新点在于：通过接地板调制表面波与超表面调控空间波的双层次去耦机制，在0.076λ₀的薄型化结构中同时达成≤-22 dB隔离度、6 dBic增益与94%辐射效率；采用等效电路模型与全波仿真交叉验证的方法，为复杂耦合系统提供了简洁有效的设计工具；实测分集性能指标均超越现有文献报道值，特别是ECC<0.002与DG>9.99 dB的表现，为高密度天线集成奠定了技术基础。该研究成果不仅为5G毫米波终端设备提供了可直接应用的天线方案，其揭示的"接地缺陷-超表面"协同作用机制，更为未来太赫兹频段MIMO天线设计提供了新的方法论启示。