三極化毫米波MIMO天線設(shè)計

（中國傳媒大學信息與通信工程學院，北京 100024）

1 MIMO技術(shù)

多輸入多輸出（multi-input multi-output，MIMO）是指在發(fā)射端和接收端同時使用多個天線來通訊的一項技術(shù)，它的實現(xiàn)方法之一是極化分集。學者們發(fā)現(xiàn)共址正交的電偶極子和磁偶極子可以獲得兩個獨立的通道，即實現(xiàn)雙極化。Roy B. V. B.Simorangkir等人設(shè)計了一個工作在2.45 GHz和5.8 GHz的天線，它有兩種正交的輻射模式TM11和TM02，其中TM11是微帶天線的輻射模式，TM02是類似單極子的輻射模式。

2 三極化天線

在雙極化的基礎(chǔ)上，學者們更進一步，開始研究三極化天線。N. K. Das等人設(shè)計了一個由雙極化圓形貼片和單極子組成的三極化天線，它先通過在X、Y軸上激勵微帶天線實現(xiàn)雙極化，再在Z軸加載單極子，構(gòu)成與X、Y軸正交的第三極化。樸大志教授團隊設(shè)計了一種工作在3.5GHz的單層三極化天線。

本文基于文獻[3]的設(shè)計思路，提出一種基于微帶天線的工作在毫米波頻段（28GHz）的三極化MIMO天線。

3 三極化毫米波MIMO天線

本文所述天線由HFSS繪制和仿真。如圖1，圓形金屬貼片r=4.7mm，印制在位于xoy面的εr=2.2的介質(zhì)Rogers 5880上，天線剖面厚度h=0.254mm。6個金屬通孔穿過介質(zhì)板連接貼片和地板，通孔半徑r0=0.2mm，通孔到貼片中心的距離d=3.6mm。天線通過三個SMA接頭同軸饋電。

圖1 天線的設(shè)計模型

當端口1激勵時，產(chǎn)生全向輻射，等效于沿Z軸放置的電偶極子，電場在通孔內(nèi)外側(cè)反向，極化方向沿Z軸，是單極子天線的TM02模式，參見圖2。當端口2或3激勵時，是微帶天線的TM11輻射模式，電場以貼片直徑為界分成兩個相反的方向，極化方向分別沿X軸和Y軸。由于2和3端口完全對稱，激勵效果一致，故本文只列出端口2激勵的結(jié)果，見圖3。

圖2 端口1激勵時的（a）電場圖，（b）xoy面方向圖，（c）yoz面方向圖

圖3 端口2激勵時的yoz面方向圖

由圖4可以看出，雙端口激勵時，天線能在同一頻率下工作，端口1的阻抗帶寬為27.15GHz—28.41GHz，端口2的帶寬為27.40GHz—28.86GHz。

圖4 S參數(shù)

通過仿真，本設(shè)計實現(xiàn)了同一頻率下的單極子輻射以及兩個正交微帶天線輻射，相當于一個豎直極化的電偶極子和兩個水平極化的磁偶極子。具體來說，就是當端口1、2、3分別激勵時，可以相應(yīng)地獲得Z極化、X極化和Y極化的電磁場，即利用多個模式完成極化分集的三極化MIMO天線設(shè)計。

4 結(jié)束語

本設(shè)計通過極化分集為毫米波MIMO天線提供了解決方案。理論上，3個正交的電偶極子和3個正交的磁偶極子一共能提供6個空間自由度，即六極化。在5G通信呼之欲出的今天，可以成倍提高信道容量的MIMO技術(shù)，在通信領(lǐng)域的優(yōu)勢會更加突出，勢必引領(lǐng)一代研究熱潮。