Design of Quad-Port MIMO/Diversity Antenna with Triple-Band Elimination Characteristics for Super-Wideband Applications

Kumar, Pawan; Urooj, Shabana; Alrowais, Fadwa

doi:10.3390/s20030624

开放式访问第条

超宽带应用中具有三频消除特性的四端口MIMO/分集天线设计

通过

巴旺·库马尔

¹,

Shabana Urooj公司

^2,*和

法德瓦·阿洛韦

^三

¹

印度大诺伊达乔塔姆佛大学工程学院电气工程系，201308

²

沙特阿拉伯利雅得84428 Nourah Bint Abdulrahman公主大学工程学院电气工程系

^三

沙特阿拉伯利雅得84428 Nourah Bint Abdulrahman公主大学计算机与信息科学学院计算机科学系

^*

信件应寄给的作者。

传感器 2020,20(3), 624;https://doi.org/10.3390/s20030624

收到的提交文件：2020年1月7日/修订日期：2020年1月20日/接受日期：2020年1月20日/发布日期：2020年1月22日

（本文属于特刊天线和滤波器在无线传感和通信中的应用)

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版本注释

摘要

:

针对超宽带（SWB）应用，提出了一种紧凑、低调、共面波导（CPW）馈电的四端口多输入多输出（MIMO）/分集天线，该天线具有三带缺口（Wi-MAX、WLAN和X波段）特性。该设计包含四个类似的截断-半椭圆-自互补（TSESC）辐射贴片，通过锥形CPW馈线激励。在截头半椭圆天线元件的接地平面中引入与辐射贴片匹配的互补缝隙以获得SWB。设计的MIMO/分集天线显示31:1的带宽比和阻抗带宽（|S₁₁|≤−10 dB），频率为1.3–40 GHz。此外，在谐振贴片中植入一个互补的分裂环谐振器（CSRR），以消除来自SWB的WLAN（5.5 GHz）和X波段（8.5 GHz）信号。此外，使用L形狭缝来消除Wi-MAX（3.5 GHz）频带干扰。制作了MIMO天线样机，仿真结果与实验结果吻合良好。

关键词：

多样性;隔离，隔离;MIMO公司;单极子;安全工作区

1.简介

在当代无线通信中，对超宽带（SWB）和超宽带（UWB）天线的需求正在上升[1,2]. UWB天线的带宽比为3.4:1，其带宽定义为3.1至10.6 GHz（由联邦通信委员会确定）[三]而SWB天线的带宽比超过10:1[4,5]. 与UWB系统相比，SWB天线可用于短程和远程通信。平面单极天线由于其体积小、重量轻、成本低、易于制造和集成，是获得UWB/SWB的合适候选者[6,7]. 在文献中，提出了用于SWB应用的几种分形几何天线。在[8]设计了一种共面波导馈电的六角形贴片天线，其带宽比为11:1。在[9]报道了一种由微带线馈电的修正星三角分形（MSTF）结构和半椭圆地面构成的天线。提出了一种使用四次分形迭代修改的CPW馈电八角形辐射贴片[10]. 在[11]提出了一种基于分形形状第二次迭代的八角形辐射贴片天线。年，研制了一种单极天线，该天线由一个鸡蛋形辐射贴片和一个加载有互补半椭圆分形槽的接地层组成[12]. 然而，使用分形形状的SWB天线配置很难制造，并且实际上只可能进行几次迭代设计。

最近，自互补天线（SCA）结构的使用成为SWB和UWB通信系统的焦点。在[13]提出了一种用于超宽带的半圆形准自互补单极子天线。在[14]为超宽带设计了一种由QSC几何结构和锥形辐射槽组成的CPW馈电天线。提出了一种用于超宽带系统的微带线阵单极子天线，该天线由四分圆圆盘和嵌入四分圆槽的接地板组成[15]. 在[16]提出了一种具有多输入多输出（MIMO）特性的两个平行排列圆形单元天线。在[17]提出了一种超宽带MIMO天线，该天线包含两个相对放置的QSC辐射贴片，以实现高隔离度。在[18]报道了一种具有蓖麻叶结构的双端口MIMO天线，该天线具有WLAN和Wi-MAX频带抑制特性。在[19]提出了一种具有两个QSC半圆形单极子的超宽带MIMO天线，其中陷波频带和隔离度分别通过引入Levy’s和Hilbert分形带的寄生带获得。提出了一种双端口SWB MIMO天线，该天线由两个圆形贴片、不对称E形短截线和蘑菇形电磁带隙（EBG）结构组成[20]. 在[21]提出了一种具有QSC谐振元件的四端口SWB MIMO天线，该天线具有WLAN和Wi-MAX频带消除特性。然而，迄今为止报道的SWB天线的设计主要包括带有一个辐射元件的天线，该辐射元件具有一个或两个频带的抑制特性。具有四个辐射单元和三频或多频消除特性的SWB天线鲜有报道。

本文提出了一种四端口MIMO/分集天线，它由四个相似的截断-半椭圆-自互补（TSESC）辐射单元组成。谐振元件通过锥形CPW馈线激励。在截断的半椭圆天线单元的接地层中引入与辐射贴片匹配的互补缝隙，以获得SWB。提出的谐振元件显示出大带宽，这有助于实现高数据传输速率，而MIMO/分集系统提供了更好的信号接收。SWB天线旨在实现三重消除特性，以避免Wi-MAX、WLAN和X波段信号的干扰。通过在谐振贴片中引入L形狭缝来抑制Wi-MAX频带干扰。同样，在天线的辐射元件中引入了互补分裂环谐振器（CSRR），以消除WLAN和X波段信号。相邻的谐振元件相互正交布置，对角元件以反平行方式放置，以减少四个散热器之间的耦合。四个单极子天线单元单元的地面相连，以确保所提出的MIMO/分集天线中的电压相同。

2.天线设计

SCA的输入阻抗是恒定的，如Mushiake的关系所示[22]:

{Z轴}_{我 n个} = \frac{{Z轴}_{0}}{2} \approx 188.5 Ω

(1)

哪里Z轴₀是自由空间中测得的阻抗值。该方程表明，天线尺寸、带宽或波长不会影响匹配良好的SCA的输入阻抗。此方法用于设计具有大带宽要求的天线[23,24].

2.1. TSESC SWB天线

TSESC谐振元件的示意图如所示图1该设计包含一个由锥形CPW馈线激励的截断半椭圆单极天线。在天线元件的接地平面中嵌入截断的半椭圆形缝隙（对应于辐射贴片）以获得SWB。天线印刷在FR-4介质基板上，具有相对介电常数(ε_对)4.4，损耗角正切（tanδ)厚度为0.02和1.6 mm。TSESC谐振天线元件尺寸详情如所示表1使用ANSYS HFSS进行TSESC天线的设计和优化^®工具。

共振元件的设计阶段如所示图2。最初，设计了一个带有改进地面（天线-a）的截断半椭圆形单极辐射器，如所示图2a.从天线元件的地面蚀刻一个辐射贴片匹配槽，以在SWB上实现阻抗匹配。几何设计阶段的反射系数如所示图3设计的天线显示阻抗带宽（|S₁₁|≤−10 dB），频率为1.3–40 GHz。在图2b、在天线元件（天线-b）的谐振贴片上安装一个分裂环谐振器（SRR），以消除SWB的干扰WLAN频带（5.5 GHz）。接下来，如所示图2c、另一个SRR（补充第二阶段中的SRR）装载在辐射贴片元件（天线-c）上，以陷波干扰X波段信号（8.5GHz）。此外，如中所示图2d、在谐振贴片（Antenna-d）中引入L形狭缝，以消除来自SWB的Wi-MAX频带（3.5GHz）干扰。

带有L形狭缝和CSRR的TSESC谐振元件的几何布局如所示图4a.蚀刻的CSRR（用于消除WLAN和X波段信号）由两个半径不同、宽度相同的同心圆环组成，如所示图4b.L形狭缝的有效长度(S公司_我)和SRR(S公司_Ri公司)为0.29λ_克₁和0.52λ_吉分别计算为[25]:

{S公司}_{我} = (秒_{1} + 秒_{2} + 秒_{三}) \approx 0.29 λ_{克 1}

(2)

{S公司}_{R（右） 1} = \{π (2 {c（c）}_{1} - {u个}_{1}) - 克_{2}\} \approx 0.52 λ_{克 2}

(3)

{S公司}_{R（右） 2} = \{π (2 {c（c）}_{2} - {u个}_{2}) - 克_{1}\} \approx 0.52 λ_{克 三}

(4)

λ_{克 我} = \frac{c（c）}{{（f）}_{c（c） 我}} (\frac{1}{\sqrt{ε_{对, e（电子） （f） （f）}}}); 我 = 1, 2, 三

(5)

ε_{对, e（电子） （f） （f）} = \frac{ε_{对} + 1}{2}

(6)

哪里ε_对是介电常数，ε_{r、效率}是有效介电常数，c（c）是自由空间中的光速，（f）_ci公司是中心频率，以及λ_吉是缺口带的导波波长。

图5a–c表示频率分别为3.5、5.5和8.5 GHz时的表面电流分布。它是在图5a电流主要集中在L形狭缝上，这是消除Wi-MAX带的原因。在图5b、在外分裂环附近可以看到较强的电流，这导致WLAN频带被拒绝。同样，靠近内部分裂环的电流更强（如图所示图5c），用于消除X波段信号。因此，通过从TSESC天线元件上蚀刻L形狭缝和CSRR，可以在SWB中获得三带缺口特性。

2.2. TSESC SWB MIMO天线

由于通信设备中的空间限制，天线尺寸必须尽可能小。由于每个辐射元件与其他三个类似的谐振结构相互耦合，设计四端口分集天线非常复杂。MIMO天线中多个相同单元的存在导致包络相关系数（ECC）和不同单元之间的相互干扰出现了多方面的增加。针对SWB应用，提出了一种尺寸紧凑的四端口TSESC MIMO天线。建议天线的几何布局如所示图6中提供了各种设计参数的尺寸表1四端口天线的四个元件相互正交排列，对角元件以反平行方式定位。将四个单极谐振元件的接地表面连接起来，以在所提出的MIMO/分集天线的接地平面中感应相同的电压。MIMO天线的制造原型如所示图7.建议的SWB MIMO/分集天线的尺寸为63×63×1.6 mm^三.

3.结果

所提出的SWB MIMO天线的反射系数如所示图7SWB MIMO天线的阻抗带宽和带宽比分别为1.3–40 GHz和31:1。由于在天线的辐射元件中引入了L形狭缝和CSRR，观察到3.5、5.5和8.5 GHz的频率被抑制。在所提出的SWB天线中，可以通过改变L形狭缝和CSRR的大小来控制抑制频带。由于普通SMA连接器的可用性和资源有限，实验结果仅显示为18GHz。在分集天线的一个端口进行测量时，使用50Ω匹配负载终止其他端口。图8a、 b演示了所提出的四端口MIMO天线的不同天线元件之间的相互耦合。在较低频率下，隔离度大于16dB，当切换到较高频率时，隔离度显著增加。图9证明实现了5.5dBi的峰值增益。天线增益在三频带抑制频率处急剧下降；否则，它在其他频率下表现出令人满意的性能。

图10a–c强调了在所有四个端口同时激励下，所提出的四端口天线在抑制频率分别为3.5、5.5和8.5 GHz时的模拟表面电流分布模式。在中观察到图10a电流主要集中在L形狭缝，这是拒绝Wi-MAX频带的原因。同样，电流在靠近外分裂环的地方很强(图10b）和内部分裂环(图10c），分别负责WLAN和X波段的抑制行为。

四端口MIMO系统端口1和端口2之间的ECC可以使用以下表达式计算[26]:

ρ_{e（电子）} = \frac{{|{S公司}_{11}^{*} {S公司}_{12} + {S公司}_{21}^{*} {S公司}_{22} + {S公司}_{13}^{*} {S公司}_{32} + {S公司}_{14}^{*} {S公司}_{42}|}^{2}}{(1 - {|{S公司}_{11}|}^{2} - {|{S公司}_{21}|}^{2} - {|{S公司}_{31}|}^{2} - {|{S公司}_{41}|}^{2}) (1 - {|{S公司}_{12}|}^{2} - {|{S公司}_{22}|}^{2} - {|{S公司}_{32}|}^{2} - {|{S公司}_{42}|}^{2})}

(7)

同样，也可以计算天线其他端口之间的ECC。图11显示了不同天线端口之间的ECC值。值得注意的是，整个SWB区域的ECC仍低于0.01。图12显示了所建议天线在2.5、7.5和12GHz频率下的模拟和测量的共极和交叉辐射方向图。在E面和H面，共极和交叉极辐射方向图的水平差异均大于15 dB，这表明天线的辐射性能稳定。从图中还可以注意到，H面共极模式显示出全向特性，E面共极图案显示出双向特性。

表2对所设计的天线和其他类似天线的各项参数进行了比较。比较表明，与先前报道的天线相比，所提出的天线配置具有几个优点[8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]在带宽比、紧凑尺寸、辐射贴片数量和辐射元件之间的隔离度方面。此外，在所提出的天线中使用CPW馈电具有易于集成到便携式设备中的优点。在所提出的天线中，使用CSRR和L形狭缝消除抑制频率（3.5、5.5和8.5 GHz）的信号，而不使用任何滤波电路/有源器件。滤波电路的使用导致庞大的设计，并且由于更大的空间需求，反过来在集成阶段产生问题。此外，辐射贴片是正交和反平行排列的，以提供极化分集和天线端口之间更好的隔离。该天线中使用了一个公共接地板，以提供四端口SWB MIMO天线的稳定工作。

4.结论

本文设计并研制了一种具有三带缺口特性的紧凑型锥形CPW馈电四端口MIMO天线。利用自互补实现了SWB特性，并通过在天线谐振元件中加载L形狭缝和CSRR获得了陷波带。带有连接接地板的散热器的共面设计提供了一种紧凑的天线结构，可以轻松集成到便携式设备或单片微波集成电路中。对模拟和测量的增益、隔离度、S参数和辐射模式进行了研究和验证。该天线在L、S、C、X、Ku、K和Ka等不同通信频带的性能证明，它是无线接入系统、认知无线电、射电天文学、宽带高清电视以及其他短程和远程无线、卫星和国防应用的良好选择。

作者贡献

概念化、P.K.和S.U。；方法学，P.K。；软件，P.K。；验证、P.K.、S.U.和F.A。；形式分析，P.K。；调查，P.K。；资源，S.U。；数据管理，P.K。；书面原稿编制，P.K。；写作审查和编辑，美国。；可视化，P.K。；监理，S.U。；项目管理，S.U。；资金收购、S.U.和F.A.所有作者均已阅读并同意手稿的出版版本。

基金

APC由沙特阿拉伯利雅得的努拉宾特·阿卜杜拉赫曼公主大学通过快速研究资助计划资助。

鸣谢

这项研究由沙特阿拉伯利雅得努拉宾特·阿卜杜拉赫曼公主大学科学研究院长通过快速研究资助计划资助。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

工具书类

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图1。截断-半椭圆-自互补（TSESC）共振元件的布局。

图2。谐振器的几何设计阶段：(一)第一阶段；(b条)第二阶段；(c（c）)第三阶段；(d日)第四阶段。

图3。几何设计阶段的反射系数。

图4。建议的TSESC共振元件：(一)几何布局；(b条)植入互补分裂环谐振器（CSRR）的放大图。

图5。天线的表面电流分布(一)3.5千兆赫；(b条)5.5千兆赫；和(c（c）)8.5千兆赫。

图6。拟议TSESC多输入-多输出（MIMO）天线的几何布局。

图7。提出的四端口超宽带MIMO天线的反射系数。

图7。所提出的四端口超宽带（SWB）MIMO天线的反射系数。

图8。TSESC MIMO天线的S参数(一)端口1；(b条)其他端口。

图9。仿真和测量了SWB MIMO天线的增益。

图10。MIMO天线的模拟表面电流分布(一) 3.5; (b条) 5.5; 和(c（c）)8.5千兆赫。

图11。提出的四端口SWB MIMO天线的包络相关系数（ECC）。

图12。建议天线的辐射方向图：(一)H面/2.5GHz；(b条)E面/2.5 GHz；(c（c）)H面/7.5 GHz；(d日)E面/7.5 GHz；(e（电子）)H面/12GHz；和(（f）)E平面/12 GHz。

图12。建议天线的辐射方向图：(一)H面/2.5GHz；(b条)E平面/2.5 GHz；(c（c）)H面/7.5 GHz；(d日)E面/7.5 GHz；(e（电子）)H面/12GHz；和(（f）)E平面/12 GHz。

表1。建议的TSESC天线尺寸。

参数	尺寸（mm）	参数	尺寸（mm）
我₁	32.5	R（右）₂	7
周₁	30.5	秒₁	12.4
我₂	15.7	秒₂	1.9
我_三	3.5	秒_三	0.4
我₄	13.3	u个₁	0.5
我₅	12.9	u个₂	0.5
周₂	11	c（c）₁	三
周_三	10	c（c）₂	2
周₄	9.3	克₁	1.3
周₅	4.5	克₂	2
周₆	4.5	克_三	2
周₇	11.7	我₆	63
周₈	2.9	我₇	63
R（右）₁	14.4	我₈	19.5

表2。将所设计天线的不同参数与现有设计进行比较。

裁判。	端口数量	阻抗带宽（GHz）	带宽比率	天线尺寸（mm^三)	切口带数量	缺口频带中心频率（GHz）	隔离度（dB）	ECC公司
[8]	1	3.4–37.4	11:1	30 × 28 × 1.6	---	---	---	---
[9]	1	1–30	30:1	20 × 20 × 1	---	---	---	---
[10]	1	3.8–68	18:1	18.5 × 20 × 1.6	---	---	---	---
[11]	1	10–50	5:1	60 × 60 × 1.524	---	---	---	---
[12]	1	1.44–18.8	13:1	35 × 77 × 1.6	---	---	---	---
[13]	1	1.3–12	9:1	40 × 51.5 × 1.6	---	---	---	---
[14]	1	3–12	4:1	19 × 16 × 1.6	---	---	---	---
[15]	1	2.82–13.86	5:1	28.5 × 26 × 1.6	1	5.5	---	---
[16]	2	3–12	4:1	21 × 38 × 1.6	---	---	>15	<0.15
[17]	2	2.19–11.07	5:1	41 × 30 × 1	---	---	>20	<0.1
[18]	2	2.6–13	5:1	66.8 × 40 × 0.8	2	3.5, 5.5	>15	<0.02
[19]	2	2.2–11	5:1	30 × 41 × 1.59	2	5.5, 8.1	>20	<0.1
[20]	2	1.5–40	27:1	55.6 × 50.5 × 1.6	1	5.9–7.1	>20	<0.005
[21]	4	1.25–40	32:1	52 × 52 × 1.6	2	3.5, 5.5	>18	<0.09
道具。	4	1.3–40	31:1	63 × 63 × 1.6	三	3.5, 5.5, 8.5	>16	<0.01

分享和引用

MDPI和ACS样式

库马尔，P。；Urooj，S。；阿洛韦，F。超宽带应用中具有三频消除特性的四端口MIMO/分集天线设计。传感器 2020,20, 624.https://doi.org/10.3390/s20030624

AMA风格

Kumar P、Urooj S、Alrowais F。超宽带应用中具有三频消除特性的四端口MIMO/分集天线设计。传感器. 2020; 20(3):624.https://doi.org/10.3390/s20030624

芝加哥/图拉宾风格

Kumar、Pawan、Shabana Urooj和Fadwa Alrowais。2020年，“超宽带应用中具有三频消除特性的四端口MIMO/分集天线设计”传感器20，编号3:624。https://doi.org/10.3390/s20030624

请注意，从2016年第一期开始，该杂志使用文章编号而不是页码。请参阅更多详细信息在这里.

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超宽带应用中具有三频消除特性的四端口MIMO/分集天线设计

摘要

1.简介

2.天线设计

2.1. TSESC SWB天线

2.2. TSESC SWB MIMO天线

3.结果

4.结论

作者贡献

基金

鸣谢

利益冲突

工具书类

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