超宽带系统中实现五频带陷波的低剖面四端口MIMO天线设计与性能验证

本研究针对UWB系统与窄带通信频段共存导致的电磁干扰问题，创新性地设计了一种集成蘑菇型电磁带隙(EBG)结构和倒L形槽的四端口MIMO天线。该天线在3.5/4.1/5.0/6.7/7.8 GHz实现<-4 dB的陷波深度，有效抑制WiMAX/INSAT/Wi-Fi等系统干扰，同时通过面-面排列和螺旋缺陷EBG结构实现ECC<0.02、DG≈10 dB的优异MIMO性能，为紧凑型多频抗干扰UWB设备提供硬件解决方案。

　　

随着无线通信技术的高速发展，超宽带(UWB)系统因其高数据传输率、宽频带覆盖和低功耗特性，在雷达成像、室内定位等领域展现出巨大潜力。然而，UWB频谱(3.1-10.6 GHz)与WiMAX(3.5 GHz)、5G Wi-Fi(5 GHz)、Wi-Fi 6E(6 GHz)等窄带系统存在严重重叠，导致复杂的电磁干扰问题。传统解决方案如外置滤波器会增大设备体积和成本，而多输入多输出(MIMO)天线在提升信道容量的同时，又面临元件间距过近引发的互耦效应。如何在不增加硬件复杂度的前提下，实现多频带干扰抑制和高隔离度MIMO性能，成为天线设计领域的重大挑战。

针对这一技术瓶颈，Siddhartha Academy of Higher Education联合Universiti Teknikal Malaysia Melaka的研究团队在《Optik》发表创新成果，提出了一种基于复合EBG结构的四端口UWB-MIMO天线。该设计通过蘑菇型EBG与倒L形槽的协同作用，首次在单一天线中实现五频段精准陷波，同时采用面-面排列和十字形隔离结构将端口隔离度提升至-22 dB以下，最终形成尺寸仅45.3×69.8×1.6 mm³的紧凑解决方案。

关键技术方法包括：1) 采用HFSS软件仿真优化EBG结构与槽线参数；2) 在FR4基板(ε_r=4.4)上集成三种方形蘑菇EBG和螺旋缺陷结构；3) 通过表面电流分布分析验证陷波机理；4) 使用矢量网络分析仪实测S参数；5) 基于辐射方向图计算包络相关系数(ECC)和分集增益(DG)等MIMO指标。

设计原理与结构创新
天线采用五边形辐射贴片，通过近馈线处的螺旋槽EBG产生7.8 GHz陷波，三个倒L槽分别抑制3.5/4.1/5.0 GHz干扰。特别设计的方形EBG对实现5.5 GHz陷波，而螺旋缺陷EBG则进一步压缩结构尺寸。四元件互补排列配合中央十字隔离结构，使元件间距仅0.25λ₀(λ₀为中心频率波长)。

性能验证
实测显示-10 dB带宽覆盖3-10 GHz，五个陷波中心频率的反射损耗均>-4 dB。传输系数S₂₁<-22 dB证明优异隔离度。表面电流分析表明，不同频段电流集中分布于对应EBG结构，验证陷波机制。辐射方向图显示全向特性，ECC<0.02和DG≈10 dB满足MIMO系统需求。

工程价值与理论突破
该研究首次将蘑菇EBG与多槽线结构结合实现五频陷波，相比文献报道的同类设计尺寸缩小23%。硬件级干扰抑制可降低信号处理复杂度，延长物联网设备续航。面-面排列策略为高密度MIMO阵列设计提供新思路，而螺旋缺陷EBG的引入拓展了小型化技术路径。研究团队特别指出，该天线兼容现有PCB工艺，适合批量生产，在智能家居、车载雷达等场景具有广泛应用前景。未来工作将探索可重构陷波和太赫兹频段扩展，进一步推动UWB技术演进。