面向5G与Wi-Fi 6E的宽频带印刷倒F天线MIMO系统设计与性能研究

《IEEE Transactions on Human-Machine Systems》：A wideband printed inverted-F antenna for MIMO application

本文针对5G Sub-6 GHz、Wi-Fi 6及Wi-Fi 6E等多频段通信系统对水平极化MIMO天线的需求，提出了一种基于印刷倒F天线（IFA）的宽频带MIMO天线设计。研究人员通过引入包含曲柄单元、L形单元和小型矩形单元的去耦结构，成功实现了97.9%的阻抗带宽（2.4-7.0 GHz）和低于-17 dB的传输系数。该天线在0.125λl的紧凑间距下仍保持低于0.05的包络相关系数（ECC），为多频段MIMO设备提供了高性能解决方案。

　　

随着5G技术的快速普及和Wi-Fi标准的迭代升级，现代无线通信系统对天线性能提出了更高要求。5G Sub-6 GHz频段（3.6-4.1 GHz、4.5-4.6 GHz）和Wi-Fi 6/6E频段（2.4-2.484 GHz、5.15-5.35 GHz、5.47-5.73 GHz、5.945-6.425 GHz）的广泛应用，迫切需要能够同时支持多频段操作的MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）天线。然而，传统印刷单极天线（PMA）主要产生垂直极化波，在多径传播丰富的环境中，水平极化天线的需求日益凸显。印刷倒F天线（IFA）因其结构紧凑和水平极化特性受到关注，但现有IFA基MIMO天线存在带宽不足（通常低于17%）或无法覆盖全目标频段的问题。

在这项发表于《IEEE Transactions on Human-Machine Systems》的研究中，Cho Thet Htar等研究人员基于先前开发的宽频带印刷IFA单元，设计了一种新型MIMO天线系统。该设计通过创新性地在两天线单元间引入复合去耦结构，成功解决了接地层连接与隔离度之间的固有矛盾。天线采用介电常数ε_r=2.6、厚度h=1.6 mm的玻璃纤维PTFE基板，通过参数化研究优化了去耦结构的几何尺寸。

关键技术方法包括：采用曲柄单元实现接地层连接，结合L形单元和小型矩形单元构成复合去耦结构；通过矢量网络分析仪（Anritsu MS46122B）在暗室环境中测量S参数；利用Xfdtd ver. 7.9进行电磁仿真；基于电流分布分析揭示去耦机制；通过包络相关系数（ECC）评估MIMO性能。

天线结构设计

研究团队设计了五种天线模型进行对比分析。Model A为无接地连接的基础模型；Model B采用直线型接地连接；Model C改用曲柄单元连接；Model D在曲柄基础上增加L形单元；Model E（最终设计）进一步集成小型矩形单元。

去耦元件对天线特性的增强效果

仿真结果显示，Model E在目标频段内反射系数（|S₁₁|）均低于-10 dB，传输系数（|S₂₁|）低于-15 dB，显著优于其他模型。

增益分析表明，Model E在2.4-6.5 GHz频段内保持稳定性能，仅在6.2-6.5 GHz出现约0.01 dBi的轻微下降。

去耦元件的工作机理

电流分布分析揭示，去耦结构通过谐振效应将能量从接收天线导向辐射单元。在2.7 GHz时，曲柄和L形单元形成半波长谐振路径，使天线#2共面波导电流减少，隔离度提升；6.6 GHz时曲柄单元单独发挥辐射作用，辐射效率最高提升至99%。

实验结果评估

实测数据验证了仿真结果：Model E的2:1 VSWR（电压驻波比）带宽达98.4%（2.39-7.02 GHz），|S₂₁|低于-17 dB，ECC值小于0.005。

辐射模式显示，低频段主辐射方向沿z轴，5.8 GHz时偏向y轴，与去耦单元电流占比增加相关。

研究表明，该复合去耦结构通过将部分互耦能量转化为辐射能量，同步改善了阻抗带宽和隔离度。天线在紧凑尺寸下（单元间距仅0.125λ_l）实现了对5G Sub-6 GHz、Wi-Fi 6和Wi-Fi 6E全频段的覆盖，其水平极化特性弥补了传统垂直极化天线的不足。该设计为多频段MIMO设备提供了高性能解决方案，对推动5G和Wi-Fi 6E技术应用具有重要意义。