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具有低包络关联系数的扁平开槽凹口MIMO天线

R. Rathna and M. A. Bhagyaveni, Anna University, Chennai, India, S.S. Shamina, Vellore Institute of Technology, Vellore, India, and P. Latha St. Joseph's College of Engineering and Technology, Chennai, India

近来对"车对车"（V2V）通信的需求在不断增长，这主要是由于人们在努力提高汽车的安全性。各种设计，包括天线的尺寸和类型，都会影响V2V系统的性能。一些经典设计包括单极¹、槽形²和贴片天线³。这些天线外形小巧、结构简单，但带宽窄、覆盖效率低。为了提高带宽并使天线能在两个频段工作，可以使用微带单极贴片系统⁴。然而，基片厚度过厚会导致尺寸增大，并使设计过程复杂化。

Ozpinar等人⁵开发了一种毫米波天线，可在紧凑、扁平（low-profile）的结构中实现宽带宽、高增益、高覆盖率和高辐射效率。虽然该天线具有多项优势，但它会受到高传输、穿透和大气传播损耗的严重影响。最重要的是，它需要高增益辐射波束。

为了克服这些问题，现代车辆上的系统采用了多入多出（MIMO）天线技术。MIMO系统使用多个天线进行发射和接收。这种结构能够在不改变发射功率或工作频段的情况下提高带宽、数据传输率和吞吐量。

MIMO系统还具有在强电磁散射环境中可靠性高和延迟低的优点。⁶利用预编码技术，许多输入信道被用来传输各种信息，而接收器则对接收到的各种信息进行组合和处理。如果这些信道广播相同的信息，系统容量就会被浪费。这种现象被称为关联性，包络关联系数（ECC）可用来量化这一现象。MIMO天线应具有较低的单元间关联性和较高的整体天线效率。⁷

目前已开发出不同的方法来创建具有低ECC和高分集增益的紧凑型MIMO结构。Dkiouak等人⁸提出了一种由两个平行的相同单极子组成的结构。他们为一个四端口UWB MIMO/分集阵列开发了一种扁平、紧凑的单极天线单元，该阵列采用正交放置的谐振元件，可实现小于0.004的ECC。⁹然而，相控阵的设计和布置成本高昂。

针对3.3-4.2GHz的5G应用和5.9GHz的V2X应用，推出了一种2×1正交、圆极化MIMO天线。该天线采用Γ形带状接地线和非对称接地结构¹⁰，以实现低于0.02的ECC。为了拓宽阻抗带宽，Hu等人¹¹设计并实现了均匀和阶梯U形槽天线。

在本文的工作中，设计了一种带有U形槽和凹口的宽带微带贴片天线单元，可用于2×2和4×4 MIMO天线系统。开槽凹口（SN）MIMO天线在V2V通信和WiMAX所需的频段内均能正常工作。

单贴片配置和设计流程

图1显示了天线单元的配置，相关参数列于表1。SN MIMO天线的谐振频率为3.5GHz，由带有两个U形槽的矩形贴片组成，以实现圆极化。凹口是通过蚀刻边缘表面引入的，以便在所需频率下实现低ECC。FR4基板厚1.6毫米，介电常数为ε_r=4.4，tanδ=0.02。

图1：单贴片天线单元

表1：MIMO天线单元设计参数

图2a显示了设计的演变。首先设计了一个尺寸为26mm×20mm的传统矩形贴片天线，并带有一个嵌入式馈线。如图2b所示，引入了一个U形槽，然后在图2c中添加了第二个U形槽，这些将天线单元匹配到50Ω。随后，在图2d中引入第一个凹口（χ₁，χ₂）和第二个凹口（χ₃，χ₄），以达到3.5GHz的理想频率。

图2：SN MIMO天线单元设计演变：天线1（a）、天线2（b）、天线3（c）和天线4（d）。

图3显示了四根天线的仿真|S₁₁|。图2a所示嵌入式馈电天线在3.44GHz时的|S₁₁|为-25.93dB。图2b中单一U形设计的|S₁₁|在3.37GHz时为-32.08dB。当在图2c中引入两个U形槽时，频率移至3.413GHz，|S₁₁|为-34.05dB。在图2d中引入凹口后，频率移至3.5GHz，分数阻抗带宽为3.8%。

图3：SN MIMO天线单元的|S₁₁|对比。

MIMO配置

2×2 SN MIMO阵列

图4a和图4b展示了2×2 SN MIMO微带贴片天线阵列的两种候选配置，每种配置的尺寸均为36mm×60mm。两个天线之间的间距为10毫米。其ECC非常低，小于0.02。图4c显示了图4a并排配置的原型。

图4：（a）并排2x2天线配置。（b）正交2x2天线配置。（c）并排2x2天线原型。

图5a比较了两种候选配置的|S₁₁|性能，图5b比较了两种候选配置的|S₁₂|性能。结果表明，并排配置在反射系数和隔离度方面都优于正交配置。此外，实现这一点无需额外的结构或复杂的修改。因此，4×4天线设计选择了并排配置。

图5：（a）天线单元的|S₁₁|。（b）天线单元的|S₁₂|。

4x4 MIMO阵列

在2×2 SN MIMO的基础上，设计了4×4 SN MIMO天线，其电路配置如图6所示。其尺寸为68毫米×68毫米，单元间距为10毫米，以便在多径环境中提供良好的信号接收。图7显示了3.5GHz频率下的仿真电流分布。电流主要集中在每个贴片周围，从而证实了天线在特定频段的辐射。电流还被限制在每个单元内，没有向其他端口耗散，从而证明了端口与端口之间的高度隔离。

图6：4x4 MIMO天线。

图7：3.5GHz频率下4x4 SN MIMO天线的电流分布，每个端口分别驱动。

图8a比较了4×4 SN MIMO天线的测量和仿真反射S参数，图8b比较了测量和仿真传输S参数。测量的10dB阻抗带宽（4.25%）和端口1隔离度与仿真结果非常吻合。在测量数据中，|S₁₂|和|S₁₃|的值均低于-20dB，而|S₁₄|则低于-40dB。

图8：（a）4x4 SN MIMO天线的测量和仿真反射系数。（b）4x4 SN MIMO天线的测量和仿真传输系数。

SN MIMO天线分集分析与性能

MIMO天线系统的实用性取决于其提供有效分集性能的能力。为了评估这一点，ECC被用作衡量标准。ECC低意味着天线之间的隔离程度高。远场天线特性可通过公式1确定ECC。¹²

值得注意的是，如图9所示，当应用于室外场景时，SN MIMO天线仿真和测量的ECC值始终低于0.001，表明天线单元之间的相互耦合极小。

图9：仿真和测量的4x4 SN MIMO天线ECC。

在MIMO中，信道容量损失（CCL）是衡量四端口MIMO天线阵列在车辆中使用时由于关联效应而造成的信道容量损失的指标。CCL的量化基于公式2：¹²

其中：Ψ^R是接收天线的关联矩阵，用公式3至7表示：

其中：

在工业和车辆通信领域，CCL低于0.4b/s/Hz即为良好。该天线的CCL如图10所示。这些结果表明关联性影响最小，数据传输速率高。

图10：仿真和测量的4x4 SN MIMO天线CCL。

总有源反射系数（TARC）有助于深入了解信号质量和反射情况，有助于优化天线设计、减少干扰，并最终有助于实现可靠、高性能的MIMO通信。它通过S参数使用公式8确定。¹²

S_in表示不同天线端口之间的反射系数。图11显示了描述不同相位组合的TARC曲线。为了提高MIMO系统在V2V中的性能，TARC值必须在指定频率范围内始终低于-10dB。

图11：4x4 SN MIMO天线的TARC。

图12a至图12d分别显示了天线1至天线4在3.5GHz时的二维辐射方向图。天线1和2以及天线3和4的E平面辐射方向图相似。同样，在H平面上，天线1和4与天线2和3的方向图也很相似。这确保了接收过程中不会出现干扰问题，并在两个平面上显示出良好的辐射方向图。

图12：4x4 SN MIMO天线在3.5GHz的仿真和测量辐射方向图：（a）天线1。（b）天线2。（c）天线3。（d）天线4。

表2将这一成果与其它类似成果进行了比较。它强调了该天线的ECC带宽（跨越5G车辆通信和6GHz以下频段）及其紧凑的结构。此外，它还展示了卓越的CCL和TARC值。

表2：与其他作品的比较

结论

本文介绍了一种具有双U形槽和凹口的扁平MIMO微带贴片天线，并针对5G V2V通信进行了优化。所提出的天线工作频率为3.5GHz，带宽为150MHz，这是智能交通系统的一项重要要求。在该频段内实现了大于或等于5dBi的增益。通过仿真和测量，分析了天线的性能指标，包括ECC、CCL、TARC、平均有效增益（MEG）、辐射方向图和效率。ECC低于0.001，超过了之前的研究。其紧凑的外形、良好的辐射特性和低ECC使该设计适用于车载通信、WiMAX和6GHz以下应用。

参考文献

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