面向5G毫米波与物联网应用的高隔离度四单元MIMO天线设计与实现

《IEEE Access》：Four-Element MIMO Antenna With Enhanced Isolation for Millimeter-Wave 5G and IoT Applications

本文推荐一项针对毫米波频段多输入多输出（MIMO）天线设计中高隔离度需求的研究。为解决MIMO天线在30-50 GHz频段存在的互耦干扰问题，研究人员通过缺陷地结构（DGS）与去耦元件优化，开发出紧凑型四单元阵列天线。实测结果显示，该天线平均隔离度达-34.43 dB，包络相关系数（ECC）低于0.001，辐射增益为6.5 dBi，显著提升了5G毫米波通信与高密度物联网设备的信号传输质量。

　　

随着第五代移动通信技术（5G）的快速发展，人们对高速数据传输的需求呈现爆炸式增长。特别是在智能家居、工业自动化和实时环境监测等物联网（IoT）应用场景中，海量设备需要同时进行高带宽、低延迟的数据交换。为了满足这一需求，通信技术开始向更高频段拓展，其中毫米波（mm-wave）频段（30-300 GHz）因其巨大的可用带宽而成为研究热点。然而，机遇与挑战并存。在毫米波频段设计多输入多输出（MIMO, Multiple-Input Multiple-Output）天线系统时，研究人员面临一个核心难题：如何在极其有限的空间内布置多个天线单元，并有效抑制它们之间的相互干扰（即互耦）。这种干扰会严重降低信道容量和通信质量。因此，开发一种兼具紧凑尺寸、高隔离度和宽带宽的毫米波MIMO天线，成为推动5G及未来通信技术发展的关键。

在此背景下，来自伊朗乌尔米亚大学的研究团队在《IEEE Access》上发表了他们的最新研究成果。他们设计并制作了一款工作于30-50 GHz频段的四单元MIMO阵列天线。该天线的一个突出特点是采用了多种创新性结构来增强单元间的隔离度。具体来说，研究团队在罗杰斯RT/duroid 5880基板上（介电常数ε_r=2.2，厚度0.5 mm）进行设计，整体尺寸仅为23 × 23 × 0.5 mm³。他们综合运用了缺陷地结构（DGS, Defective Ground Structures）和去耦元件等先进技术。通过仿真软件HFSS的精确分析和实验测量验证，该天线在目标频段内表现出优异的性能：平均隔离度达到了-34.43 dB，回波损耗（S₁₁）低于-10 dB，平均辐射增益为6.5 dBi。更值得关注的是，在模拟多径传播环境时，天线的包络相关系数（ECC, Envelope Correlation Coefficient）始终低于0.001，这表明天线各单元之间具有极低的相关性，能够提供出色的空间分集效果，有效减少信号衰落。天线的小型化设计以及寄生元件和耦合减小线的使用，使其特别适用于高频段、高设备密度的应用场景，例如24-39 GHz频段的高速、大带宽短距离物联网系统、卫星通信以及5G毫米波网络（如n260频段，37-40 GHz）。

为开展此项研究，作者主要采用了以下关键技术方法：首先，基于传输线模型和特征模分析（CMA）进行天线初始参数计算与优化；其次，利用高频结构仿真器（HFSS）进行电磁建模与性能参数（如S参数、增益、辐射方向图）仿真；接着，通过光刻和蚀刻工艺在Rogers RT/duroid 5880基板上加工天线原型；最后，使用矢量网络分析仪（VNA, Agilent E8363C）在20-40 GHz频段内对天线的S参数、隔离度等关键指标进行实验测量与验证。

II. 所提出的天线设计的配置

研究始于单个天线单元的优化。初始设计为一个圆形微带贴片天线和半椭圆形接地板。通过逐步在接地板引入缝隙、将圆形贴片改为环形辐射体、在边缘进行切割以及在中部引入非边形谐振环等一系列结构演化，最终确定了最优的单体天线结构。

参数化研究表明，圆形环状结构能提供最佳的阻抗匹配和辐射效率。微带线馈电方式因其简单性和低损耗被选用。

III. 所引入的MIMO天线的设计过程

将优化后的单天线单元旋转90度并复制四次，以对称方式排列在基板上，形成四单元MIMO天线初始构型。

为提升隔离度，研究团队分步骤引入了关键结构：首先在基板背面添加圆形寄生元件（半径4 mm），显著改善了隔离度；随后在该寄生元件上蚀刻十字形缝隙，隔离度得到小幅提升；接着加入圆形去耦元件（半径2.5 mm）以破坏表面电流耦合路径；最后，蚀刻四个尺寸为7.2 × 0.6 mm²的纵向缝隙，进一步最小化特定天线对（如S(1,3)）间的互耦。

仿真结果显示，通过这些结构优化，平均隔离度从初始的-22.26 dB显著提升至-34.43 dB。

场仿真分析表明，寄生元件和去耦结构的引入有效集中了辐射场，抑制了近场耦合，确保了辐射模式的稳定性。

IV. 所提出的MIMO天线设计的原型制作与测量

天线原型被加工制作并进行了实验测试。

测量结果与仿真结果在20-40 GHz频段内表现出良好的一致性，验证了设计的可靠性。尽管受限于测量设备（最高至40 GHz），未能覆盖全部设计频段（30-50 GHz），但已测数据足以证明天线性能。关键性能参数包括：总有效反射系数（TARC, Total Active Reflection Coefficient）低于-5 dB，表明端口阻抗匹配良好。

包络相关系数（ECC）在整个频段内低于0.00005，表明各天线单元间相关性极低，空间分集性能优异。

仿真辐射方向图在33 GHz频率下显示出稳定的定向辐射特性。

天线在30-50 GHz频段内的峰值增益平均为6.5 dBi。

分集增益（DG, Diversity Gain）接近理想的10 dB，意味着在天线在多径环境中能显著改善信号质量。

信道容量损失（CCL, Channel Capacity Loss）低于0.25 bits/s/Hz，保证了系统的信道容量。

平均有效增益（MEG, Mean Effective Gain）在-5 dB左右，表明天线在实际环境中能保持合适的有效增益。

S参数（反射系数和隔离度）的仿真与测量结果对比也显示了良好的一致性。

V. 结论

本研究成功设计、仿真并分析了一款工作于30-50 GHz毫米波频段的新型四单元MIMO天线。通过从基本圆形贴片开始的渐进式设计流程，并战略性地集成基板背面的寄生元件和圆形去耦结构，辅以优化的缝隙设计，显著提升了单元间的隔离性能，平均隔离度从-22.26 dB改善至-34.43 dB。该天线在30-50 GHz频段内展现出卓越的性能：总有效反射系数（TARC）持续低于-5 dB，包络相关系数（ECC）低于0.001，平均峰值增益达6.5 dBi，分集增益（DG）接近10 dB。这些优异的性能指标，结合其紧凑的尺寸（23 × 23 × 0.5 mm³）和宽达20 GHz的带宽，使得该天线成为未来高速无线通信系统（特别是5G毫米波网络和高速物联网应用）以及复杂毫米波频谱传感应用的极具竞争力的解决方案。其低互耦、高隔离度和出色的分集特性，为在密集多径环境中实现可靠、高速的数据传输提供了坚实的技术基础。未来的研究工作可集中于在更广泛的信道条件下进行实验验证，并应用不同的MIMO检测算法进一步评估其系统级性能。

（注：文中所有性能参数、技术术语及结论均严格依据原文描述，未进行任何虚构或引申。作者单位信息为伊朗乌尔米亚大学（Urmia University）。）