《AEU - International Journal of Electronics and Communications》：A novel decoupling method for compact MIMO antenna array
编辑推荐：
紧凑四端口Ku波段MIMO天线设计，采用DGS与介质块混合解耦方法，有效抑制地电流、表面波和空间波耦合，实现高隔离（>22.9 dB）和小尺寸（0.058λ?间距），适用于卫星通信和高吞吐量无线回程。
李媛|谢一源|徐芳|张新宇|李俊辉|潘宁|周文军|陈庄|拉米·萨米|马纳尔·穆斯塔法
中国重庆西南大学电子与信息工程学院，邮编400715
摘要
高互耦是紧凑型多输入多输出（MIMO）天线设计的核心挑战，尤其是当天线阵列作为辐射元件时。本文提出了一种混合解耦方法，结合了缺陷接地结构（DGS）和局部介质块来同时抑制多个耦合路径。DGS主要用于抑制地电流传播，而介质块进一步减少空间波和表面波的耦合。具体来说，我们设计并制造了一种工作在17.63 GHz的四端口MIMO天线，其整体尺寸为2.0λ×2.3λ×0.35λ，其中λ是17.63 GHz时的自由空间波长。每个辐射元件都实现为1×3的线性串联馈电贴片阵列。仿真结果显示，该天线的工作带宽为17.48 GHz至17.78 GHz。尽管相邻元件之间的边缘到边缘间距仅为0.058λ，但相邻端口之间的隔离度显著提高，从8.8 dB提升到25 dB，中心端口的隔离度从7.9 dB提升到22.9 dB。因此，在工作带宽内任意两个端口之间的隔离度均超过22.9 dB，共振频率下边缘端口的峰值增益为12.36 dBi，中心端口的峰值增益为11.23 dBi。对制造原型的测量证实了该设计的有效性，显示出超过19 dB的隔离度以及与仿真结果非常吻合的辐射特性。所提出的设计在紧凑的尺寸内实现了有效的隔离增强和优异的辐射性能，适用于卫星通信系统和高吞吐量无线回传。这项工作为解决紧凑型MIMO系统中的高互耦问题提供了有效的解决方案，适用于实际的Ku波段高容量通信应用。
引言
无线通信技术的快速发展，包括第五代（5G）系统、物联网（IoT）和卫星通信，导致了对更高数据速率和更好频谱效率的需求日益增长。多输入多输出（MIMO）技术通过在发射机和接收机处使用多个天线来增强信道容量、链路可靠性和频谱效率，成为满足这些需求的关键解决方案。同时，Ku波段频谱受到了下一代无线和卫星通信系统的广泛关注。在这一频段工作为传统微波系统和新兴的毫米波（mmWave）技术之间提供了宝贵的桥梁。因此，在Ku波段开发高性能天线系统对于当前应用和未来的高频无线通信系统具有重要意义。特别是Ku波段的高频部分（17–18 GHz）在卫星上行/下行系统、高吞吐量无线回传和新兴的毫米波接入网络中得到了广泛应用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。
在MIMO天线系统中，紧密排列的天线元件之间的互耦是显著降低系统性能的主要挑战之一。当天线元件之间的间距大于自由空间波长的一半时，互耦效应通常较弱，可以忽略不计。然而，在许多实际应用中，如紧凑型终端、卫星有效载荷和集成通信模块，天线放置的空间极为有限。因此，天线元件必须放置得非常接近，这导致端口之间的电磁（EM）耦合增强，从而降低整个MIMO系统的性能[7]、[8]。在17–18 GHz的Ku波段等高频段，这一挑战变得更加严重。在这些频率下，天线结构对制造公差更加敏感，介质损耗更加明显，表面波传播会显著贡献于互耦。
除了阻抗匹配和辐射特性外，MIMO天线系统的性能通常还通过几个关键性能指标（FoMs）来评估，包括包络相关系数（ECC）、分集增益（DG）、信道容量损失（CCL）和总主动反射系数（TARC）[9]、[10]、[11]。这些参数表征了MIMO系统的分集能力和信道性能。特别是，ECC描述了天线元件之间的相关性，低ECC值表示有效的分集性能，而DG反映了多路径环境中信号可靠性的提升。同时，CCL量化了由互耦引起的信道容量损失。因此，这些FoMs被广泛用于评估紧凑型MIMO天线系统的分集性能和信道特性。在Ku波段频率下，更高的传播损耗也要求使用高增益天线来维持可靠的通信链路。由于单个贴片天线通常提供的增益有限，因此经常使用天线阵列来增强辐射性能[12]、[13]、[14]、[15]。然而，使用阵列会引入更复杂的近场相互作用，进一步加剧了互耦问题。
为了减轻紧密排列的贴片天线之间的互耦，近年来研究了许多解耦技术。一种代表性的方法是阵列-天线解耦表面（ADS），该方法首次在[16]中提出。该方法通过在天线阵列上方引入部分反射电磁波来抵消元件之间的耦合波。另一种广泛使用的技术是缺陷接地结构（DGS），在接地平面上蚀刻槽或图案以抑制天线之间的耦合电流[17]、[18]、[19]。然而，传统DGS结构的有效性往往受到天线元件之间可用空间的限制。为了解决这一限制，在[7]中提出了一种沿贴片外边缘放置的改进型DGS，能够在0.04λ的最小间距下实现有效解耦。对于更紧凑的配置，还采用了近场谐振器（NFRs）通过共振消除机制来抑制互耦[8]。此外，还提出了自解耦天线设计，通过在天线结构本身内激发正交或不同的共振模式来增强隔离[20]、[21]、[22]。还研究了引入额外耦合路径的解耦结构，以补偿天线元件之间的原始耦合[23]、[24]。
尽管这些方法在解耦单个贴片天线方面显示出有效性，但它们在紧密排列的贴片阵列（特别是在较高Ku波段频率下）的应用仍然相对有限。这个问题很重要，因为基于阵列的辐射元件通常需要在高频系统中实现足够的增益。然而，每个阵列中存在多个辐射元件，这使得耦合机制变得更加复杂，使得传统的解耦方法效果较差。因此，为采用贴片阵列的紧凑型MIMO系统开发有效的解耦策略仍然是一个重要的研究挑战。
为了解决这个问题，本文提出了一种工作在17.63 GHz的紧凑型四端口Ku波段MIMO天线。每个端口使用1×3的串联馈电贴片阵列来增强天线元件的辐射增益。为了抑制相邻阵列元件之间的互耦，引入了一种结合缺陷接地结构（DGS）和介质块的混合解耦方法。具体来说，在接地平面上蚀刻U形DGS图案以抑制地电流耦合，同时在贴片阵列上方放置介质块以减轻表面波和空间波的耦合。通过共同抑制多个耦合路径，所提出的设计在仅0.058λ的极小边缘到边缘间距下实现了超过22.9 dB的模拟隔离度。所提出的天线为Ku波段应用提供了一种紧凑、高增益的MIMO解决方案，并为高频MIMO系统中紧密排列的贴片阵列提供了一种有效的解耦方法。
节选
紧凑型四端口MIMO天线设计
在MIMO系统中，发射机和接收机独立使用多个天线。如图1所示，多个天线能够协调传输多个信号，从而显著增加信道容量。鉴于MIMO天线放置的空间有限以及MIMO系统的性能要求，有必要紧凑地排列MIMO天线元件并提高它们的辐射增益[1]、[2]、[5]。为了进一步探索耦合机制
所提出的MIMO天线的参数分析
在超紧凑型MIMO天线阵列中，互耦主要来源于三种电磁机制：通过公共接地平面的地电流耦合、沿基板的表面波传播以及相邻元件之间的空间波辐射。当元件间距变得非常小时，这些耦合路径会显著增加端口之间的电磁相互作用，降低隔离性能。
为了减轻这些效应，采用了一种混合解耦方法
测量结果与讨论
对设计的四端口MIMO天线原型进行了全面的实验测试。原型如图20所示。在测量过程中，其余端口被终端电阻为50 Ω的负载所连接。图21显示了四端口MIMO天线的S参数的仿真和测量结果，提供了阻抗特性的清晰比较。关于端口反射特性，测量结果与仿真结果非常吻合。
结论
本文提出了一种结合U形DGS和局部介质块的混合解耦方法，用于抑制紧密排列的MIMO贴片阵列中的多个耦合路径。通过有效减轻地电流、空间波和表面波的耦合，所提出的方法显著提高了端口隔离度，同时保持了优异的辐射性能。设计并制造了一种工作在Ku波段（17–18 GHz）的四端口紧凑型MIMO天线
CRediT作者贡献声明
李媛：撰写——原始草稿、方法论、概念化。谢一源：撰写——审阅与编辑、验证、软件。徐芳：形式分析、数据整理。张新宇：资源获取、调查。李俊辉：撰写——审阅与编辑、概念化。潘宁：撰写——审阅与编辑。周文军：撰写——审阅与编辑。陈庄：撰写——审阅与编辑。拉米·萨米：撰写——审阅与编辑。马纳尔·穆斯塔法：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作部分得到了国家重点研发计划（项目编号2024YFB4710101）、重庆市自然科学基金（项目编号CSTB2024NSCQ-LZX0086）、西南大学创新研究2035试点计划和中央高校基本科研业务费（项目编号SWU-XDPY22013）以及西南大学青年团队专项基金（项目编号SWU-XJPY202301）的支持。
