小型印刷MIMO天线UWB的应用外文翻译资料

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小型印刷MIMO天线UWB的应用

摘要：一个紧凑的多输入多输出（MIMO）– 天线的超宽带（UWB）的应用。该天线由两个开放的L形槽（LS）天线单元和地面上的窄槽组成。天线元件彼此垂直地放置以获得较高的隔离度，增加窄槽以减少在低波段天线元素之间的相互耦合（3-4.5 GHz）。拟议的MIMO天线具有紧凑的尺寸毫米，天线原型也已经被制作和测量。测量结果表明，所提出的天线设计实现了大于3.1 - 10.6 GHz的阻抗带宽，小于15分贝的低互耦合，以及在频带上的低包络相关系数大于0.02，这些都适用于便携式UWB的应用。

关键词：lambda;/4的槽、多输入多输出（MIMO）、开放的L形槽（LS）天线、超宽带。

1. 简介

在近年，超宽带（UWB）通信系统为了满足高数据速率、低成本、低功耗的要求，进行了研究。自从联邦通信委员会（FCC）允许3.1 - 10.6 GHz的非授权频段进行超宽带通信以来，超宽带通信就成为无线通信领域的热门话题[ 1 ]。超宽带天线作为超宽带通信系统的重要组成部分，近年来引起了广泛的研究兴趣。可行的UWB天线设计面临的挑战包括宽阻抗匹配、辐射稳定、低轮廓、紧凑的尺寸和低成本[ 2 ]。此外，UWB系统也像其他无线系统一样受到多径衰落的影响。为了解决这个问题，在UWB系统中引入了多输入多输出（MIMO）技术，以提供复用增益和分集增益，进一步提高容量和链路质量[ 3 ]。UWB系统的MIMO天线设计过程面临两大挑战。其一是最小化MIMO系统的天线单元。另一种是加强天线元件之间的隔离。在大多数情况下，天线元件应该具有定向增益。请注意，减少互耦所采用的方法对UWB应用中的宽带阻抗匹配几乎没有影响。

为了克服上述挑战，已经提出了许多方法。这些解耦方案可分为三大类。第一种方法是使用UWB分集天线[ 4 ] [ 6 ]。这种方法的原理类似于双极化天线。这种方法的原理类似于双极化天线。由于天线单元增益模式的正交性，可以实现元件之间的低耦合。此外，使用这种方法的UWB系统的MIMO天线通常具有紧凑的尺寸。第二种方法是采用解耦结构[ 7 ]–[ 10 ]，如树状结构[ 7 ]，[ 10 ]和寄生曲折线。采用这种方法的天线可以获得较高的隔离性能。然而，由于去耦结构通常具有复杂的实现形式，天线的尺寸难以实现小型化。第三种方法应用广泛，可以看作是结合前两种方法[ 3 ]，[ 11 ] [ 14 ]的混合方法。通过利用UWB分集天线和天线单元之间的解耦结构，通常可以实现紧凑的尺寸和低的互耦。

在这封信中，基于上述第三种方法，提出了一种适用于超宽带应用的小型MIMO天线。在单元之间添加一个开放槽，同时用于增强低工作频带中的MIMO天线的隔离。该天线具有紧凑的毫米尺寸，比[ 3 ]中的设计小，并且在[ 7 ]和[ 12 ]中的设计分别约为73%和44%。在下面的章节中详细描述了设计过程。

1. 天线设计与仿真结果
2. 天线设计

拟议的UWB MIMO天线的几何形状，具有较小的毫米，如图1所示。这是印在一个相对介电常数为4.4，厚度为0.8毫米的FR4基板。在[ 15 ]提出的UWB开L型缝隙天线作为参考，与天线的尺寸优化，得到一个较小的尺寸。所提出的MIMO天线由两个L形槽天线单元组成，分别表示为ls 1和ls 2。两LSS彼此垂直地放置实现两天线单元之间良好的隔离。

该单元天线由一个L形槽和一个由50欧姆微带线馈电的矩形贴片组成。以获得UWB应用的带宽增强，一个T形的存根连接到矩形贴片，由一个水平存根Wg和一个垂直存根L3组成。

为了提高天线元件在低频段的隔离度，在地平面的左底部切割一个窄的矩形槽。

为了获得所需的数值分析和适当的几何参数，使用电磁（EM）模拟工具CST进行了计算机模拟。仿真模型中加入了SMA连接器，提高了仿真精度。表1列出了MIMO天线的最终优化尺寸。

2、窄地槽效应

在地面上引入窄矩形槽，以减少天线单元在低频段的相互耦合。槽的尺寸Ls*Ws和旋转角度为45度。图2（a）示出了具有和不带窄槽的模拟散射参数。可以看出，在添加时隙之前，天线单元之间的隔离度在3 - 4.5 GHz中是低的。开槽的谐振长度约为 lambda;g/4，使电流主要分布在谐振频率附近，从而导致隔离改善。如图2所示，在添加时隙之后，在3 - 4.5 GHz中，参数的值显著降低到小于15分贝，满足了典型的MIMO /分集天线的要求。

为了进一步解释矩形槽的影响，图2（b）在谐振频率为3.8 GHz的情况下比较带槽和不带槽的表面电流分布。可以看出，从端口1到端口2的电流是由槽堵塞，当端口1活跃时，耦合电流的LS 2显著降低。效果与从端口2到端口1相同。

1. 结果与讨论
2. 端口之间的回波损耗和隔离

一个在第二节中所描述的l-shaped-slot MIMO天线原型制作与量测。原型如图3（a）所示。该天线的带宽性能是由安立37269a矢量网络分析仪测量。图3（b）和（c）给出了拟议天线的模拟和测量参数。如图3（b）所示，ls 1和ls 2都具有S11lt;-10dB和S22lt;-10 db的带宽超过2.9 - 12 GHz。该天线满足FCC指定的整个UWB的阻抗匹配要求。

两个输入端口之间的模拟和测量的S21（互耦）如图3（c）所示。可以看出，在整个UWB频段，测量的隔离度低于15分贝（在4.7 - 10 GHz时超过20分贝）。由于小于15分贝的相互耦合足够用于UWB应用[ 3 ]，该天线适用于整个UWB频带的MIMO应用。

1. 辐射模式

图4说明了测量二维主极化和交叉极化辐射模式（xoy-，xoz-，yoz-面）在3.5、6天线，和10 GHz。在这里，主极化定义为在位面上的主要部分。此外，在研究中，当端口1或2被激发时，另一个端口以50个负载终止。

从结果可以看出，在低频（3.5千兆赫）中，LS 1和LS 2在H面具有全向辐射模式（分别为端口1的xoz-平面和端口2的yoz-平面），并且在E-平面（端口1的yoz-平面和端口2的xoz-平面）的辐射图案是哑铃形的。在较高频率的6千兆赫，LS 1和LS 2在H面有准全向辐射模式。

然而，在更高的频率为10 GHz时，由于高阶谐振模式，平面内的辐射模式是不全方位的。

此外，结果还表明，在同一平面上的两个端口的模式有很大的不同，所以可以实现模式多样性。例如在3.5 GHz，在端口1的H面主极化辐射全向方向图如图4（b）所示。然而，对于端口2，在同一平面上的主极化辐射图案是哑铃形的。这些差异增强了ls 1和ls 2之间的模式多样性。例如，在图4（b）的测量结果表明，在xoz-面，LS 1在270角有0分贝的增益，但LS 2具有20分贝的增益在相同的角度。

如图5所示，具有端口1或2激发的天线的测量峰值增益和辐射效率。可以看出，所测得的峰值增益在3至10.6 GHz的频带范围内从1.7到4.2分贝，而UWB的辐射效率在60%以上。当天线尺寸较小时，增益在15左右，在高频处增益降低。这主要是因为我们使用的基板在商业上是可用的和由于介电损耗降低的天线效率。

1. 多样性的表现

对于用于MIMO应用的天线，二端口包络相关系数（ECC）是一个重要参数。回想一下，对于无损MIMO天线，可以使用[ 16 ]中提出的方法计算ECC。

模拟和测量的ECC曲线图6。结果表明，仿真和实测图0.04以下3.1–10.6 GHz，这是足够低，保证了良好的MIMO天线分集性能。

1. 结论

在此提出了一种由两个开放的L形槽单元组成的紧凑型MIMO天线。为了减少天线元件在低频区（3～4.5千兆赫）中的相互耦合，将一个窄槽加到地平面上。我们制作并测量了天线原型。测量结果表明，该天线在整个UWB频段达到了大于3.1 - 10.6 GHz的阻抗带宽和小于15分贝的低互耦。测量结果表明，该天线是UWB应用的理想候选天线。

1. 联邦通信委员会，华盛顿，DC，美国，“从基本的3.1 GHz的超宽带传输系统委员会的规则15部分联邦通信委员会修订”等标签，2002，pp. 98–153
2. F. Zhu等人，“在馈线中集成了带阻元件的多频带缺口超宽带天线”。天线的传播效应，61卷，8号，3952页–3960，8月2013。
3. L. Li，S. W. Cheung和T. I. Yuk，“超宽带应用中便携式设备的紧凑型MIMO天线”。天线的传播效应，61卷，8号，4257页–4264，8月2013。
4. S. Zhang, B. K. Lau, A. Sunesson, and S. He” “密密麻麻的超宽带多天线分集天线不同图案和极化的USB加密狗的应用，”IEEE Trans。天线的传播效应，60卷，9号，4372页–4380、9月2012。
5. H. K. Yoon, Y. J. Yoon, H. Kim, and C.-H. Lee “灵活的超宽带极化分集天线的带缺口的功能，“微波天线极化5卷，12号，1463页–1470、9月2011。
6. “双频WLAN /超宽带印刷缝隙天线的MIMO /多样性的应用，”Microw。选择.技术。其中，55卷，3号，461页–465, 2013。
7. “超宽带多天线分集天线与树的结构来提高宽带隔离，”IEEE天线无线公司。其中，8卷，1279页–1282, 2009。
8. “印刷超宽带天线的多样性，“在进程。国际conf.ultra-wideband，9月2006，pp. 351–356。
9. “一个UWB应用存根分集天线的设计，”Microw。选择.技术。让，第50卷，第5页，第1352页- 1356, 2008页。

10、“一个紧凑的WLAN频段超宽带MIMO天线拒绝移动设备操作，”IEEE天线无线公司。其中，11卷，993, 2012 pp.990–。

11、一种宽带模式分集环形缝隙天线。天线的传播效应，60卷，3号，1596页–1600，mar.2012。

12、“小型超宽带印刷缝隙天线的多样性与5.5-GHz阻带特性，”IEEE天线无线公司。其中，13卷，376页–379, 2014。

13、“超宽带天线的多样性，”IEEE Trans。天线的传播效应，57卷，6号，1597页–1605月2009。

14、“紧凑型双bandnotched UWB MIMO天线隔离度高，”IEEE Trans。天线的传播效应，61卷，9号，4759页–4766、9月2013

15、“有一个T形短开槽天线带宽增强，”Microw。选择.技术。其中，52卷，2号，149页–151、2月2010

16、“从输入参数描述天线系统的分集性能的精确表示，“电子。其中，39卷，9号，705页–707，2003年5月。

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