上海电力大学学报
Journa' of Shanghai University of Eectric Power
第37卷第1期
2021年2月桑葚怎么吃
Vol. 37,No. 1Feb. 2021
DOI ： 10. 3969/j. issn. 2096 -8299.2021.01.017
一种新型六边形宽带毫米波MIMO 天线
李凯佳，杜成珠，郑炜晴，焦哲晶
（上海电力大学电子与信息工程学院，上海200090）
摘要：提出了一种六边形开槽结构的宽带毫米波多天线技术（MLWO ）天线。该微带天线的贴片为六边形， 采用共面波导馈电方式，并通过开槽拓宽天线的带宽，没有添加隔离枝节，可实现隔离度小于-20 dB ，尺寸为 23.6 mm x 15.4 mm x0. 1 mm 。通过电磁仿真软件HFSS 对设计的天线单元及MIMO 天
线进行了仿真与分
析，结果发现，该毫米波MLWO 天线在5.1-41.8 GHz 频率范围内回波损耗均小于-10 dB ，并且具有良好的 辐射特性。
关键词：宽带；微带天线；共面波导；LCP ；毫米波
抬拳道
中图分类号:TN82 文献标志码:A 文章编号：2096 -8299（2021）01 -0089 -05
A New Hexagon Witeband Millimeter Wave MIMO Antenna
LI KaSiz ，DU Chengzhu ，ZHENG Weiqing ，JIAO Zhejing
(School of Electronict and Information Engineering ，Shanghat University of Electic Power ，Shanghat 200090，China)
Abstraci : In this paper ，a hexagonal slotted wideband mi/imeter-wave MIMO antenna is pro-po0ed. The purpo0e of thi paper i to improvethena r ow frequency band ofmicro0trip antenna.
Theantennaiba0ed on thehexagon patch antenna ， which iconnected to theground by coplan
ar waveguide.The antenna patch i 0lo t ed and graded on the ground 0urface ofthe coplanar
waveguide ，and the edge pact is cut of f to improve the antenna impedance matching. The MIMO
antenna is 48. 4 mm x 15. 4 mm x0. 1 mm. The elecyomagnetiz simulation software HFSS is ud
to simulate and test the designed antenna element and MIMO antenna bad on the finite element
method. The MIMO aninna effectively increas ie frequency bandwidth. In the frequency range of 5.1 〜41.8 GHz ，the return loss is less than -10 db ，and B has good radiation characteristics.
Key wordt : wideband ； microstrig antenna ； cop/nst waveguide ； liquid crystal polymer ； milli meter wave
地木耳近年来，随着通信技术的不断发展，移动通 信逐渐从第一代通信发展到目前广为普及的第
四代移动通信，且第五代通信技术商用测试正
在稳步进行中&随着5G 通信系统的飞速发展，
人们对通信设备的性能也提出了新的要求&相
比4G 通信，5G 能提高10倍的信号传输速率、 降低至毫秒级别的传输延时，以及上百倍的终
端设备连接&但目前无线通信使用的频谱资源
收稿日期：2020-03-24
通信作者简介：杜成珠（1971 — ），女，博士，副教授。主要研究方向为可穿戴天线、超宽带天线等& E-mail : duch-
engzhu@ 163. com 。
基金项目：国家自然科学基金（61371022，61704103） &
90上海电力大学学报2021
十分有限，利用高频段通信是5G移动通信的必然趋势〔1
毫米波(Millimeter Wave,mm Wave)多天线技术海量数据高速率通信的关键技术&与有的频段，的频谱资源十分丰富，但 信号绕射能力差、在
衰减大，抗严重的路径损耗是毫米波通信亟待解决的问题。多天线技术(Multiple Input Multiple Outeut,MIMO)是在信号发射用多发射天线，在信收用多收天线的信号传输物径。相比
线，其传容量得到极大的&毫米
线、易，在传结合MIMO能够取得良好的效果&
带天线具有重量轻、、面低：易于电优点，在通信、电子、雷信领域有着的应用&但于微带天线有带宽射增益低等缺点，其带宽一般只达到0.7%〜7.0%，从而限制了带天线的应用范围〔2*&带线的带宽成为热门的研究课题&研究的：带天线带宽的技术主要有：选择介电常数结婚回礼
较小的基板；射贴片基本形状；增加基板的，射贴；增加阻抗络；增加寄生贴采取电磁耦合馈电方式等〔3*&
住房合同TANG M C等人〔4*提岀了一种印刷槽形天线，天线顶部凹的寄生贴片，馈线放置在FR4基的底部，基计为椭圆音叉结构，带宽为2.26〜22.18GHz。SIN-GHALS等人［5*面馈电六边形子天线。天线5个方形槽，其中 较大的方形槽在辐射贴片的正，整个天线结构对称，带宽为3.4-37.4GHz。RAHMAN M
N〔6*研究形辐射贴非对称面的微带宽带共向：馈电天线，带宽为4.0〜19.8GHz。SAHA T K
⑺在馈线上形槽的带宽增：线，带宽为4〜40GHz，但测量的频率范围只有4〜20GHz。ALDWAIRI M O等人〔8*设计4形面的带线，带宽为3.1〜35GHz，采用刚性FR4材料作为介基。
带宽宽技术的用带线带宽到了良好的效果，但存在一些&：增加基板的带天线的重量增加；采用殊的辐射贴片形状，增加阻抗络增加生贴高线计的，从而增加线制造的&本新型的宽带毫MIMO天线，线元为六边形贴片，通边拓宽天线的带宽。
1宽带毫米波MIMO天线单元结构
本文提岀的六边形宽带毫米波MIMO天线单元结构如图1所示。天线单元尺寸为23.6x 15.4x0.1mm。该天线单元由底部的介质基板覆盖其上的金线贴金面■接面。基采用LCP(liquid crysta polymer)材料&LCP材料的介电常数二2.9，损正切值in&二0.002，h1二0.1mm。辐射贴片的主体为六边形结构&为改变贴片上电流流向，提高阻抗，在贴片的下部倒凸形槽，并在贴片边缘进行部&为面面上电流传输方向，面平面作，使其呈为上宽形结。线元的馈电方式选择共面馈电形式，50#馈线与贴片连接于六边形贴边的正。
(a)侧面(b)正面
图1宽带毫米波天线单元结构
图1量为线元的结量，通过HFSS软件对该天线单元参数进行与优化，其中Zub为基，(sub为基板宽度，(f为馈线宽度，t为其面宽度,31为
，(01为宽度。计结果如表1所示
。
李凯佳，等：一种新型六边形宽带毫米波MIMO天线91
表1天线基本结构尺寸单位:mm
h13s ub(sub(f t301(01
0.115.423.6 1.80.2 2.3 1.1
2波MIMO天线单元设
过程
计过程分为3个主要步骤。
骤1计岀基础结构的天线单元，天线
元射贴片、共面带馈线、共面面
部的基。辐射贴片形状选取为六边
形，底边方向朝下。共面带馈线与贴片的连接
点在六边形底边中点。该骤线的结果在5.1〜41.8GHz频带范，回波损耗S n于-10dB标准；在8.4〜11.3GHz,27.3〜28.6GHz 条件下，回损耗Sn大于-10dB。
骤2面平面形状，采用上窄宽的结，面面形形，
变电流传输方向，频带带宽并减才、回波损耗。
步骤3在辐射贴片上蚀刻倒“凸”，改变贴部与微带馈线连电流分布，减回损耗。在部增加矩形结构，减与共面.面间距，增，进一步减小回波损耗&另外，在辐射贴片两边的边缘进行部，对回损耗S n进行微调。
具计步骤及相应电流分布如图2所示。
步骤3
图2MIMO天线单元设计步骤及相应电流分布
图2可到：步骤2中，共面面改为
形，电流传方向，六边形贴上电流流向两边；骤3，，贴电流化更加，偏向左右两侧。
宽带天线单元设计过程中回波损耗Sn参数曲线变化图3所示。
骤1，线元的回损S11数线在5.1〜41.8GHz频带内，大部分回波损于-10dB；在8.4〜11.3GHz，27.3〜28.6GHz范围内，回波损耗大于-10dB。步骤2时，天线单元的回波损耗S n数线在8.4-11.3GHz频带内，回损耗才、于-10dB。步骤3时，回波损耗S n数曲线天线带宽略微拓宽，在27.3〜28.6GHz频带内，回损于-10dB。
3MIMO天线仿真结果与分析
将2个天线单元横向并列摆放，组成1个二元MIMO天线。二元宽带毫米波MIMO天线结构如图4所示。
%
(a)侧面(b)正面
图4二元宽带毫米波MIMO天线结构
通过HFSS仿真软件对MIMO天线进行仿真，其S数结图5所示。矩形线表示的回波损耗S n数线，圆形连线表示
的S12数线。图5可，MIMO线的回波损耗S n数小于-10dB时，天线的工作频率为5.1〜41.8GHz，相对带宽(即信带宽与中心频率之比)为156.5%。同时，在5.1〜41.8GHz频带范，S12参数线的最大值为-21.8dB，于-20dB，可MIMO 天线隔离于-15dB的规格要求
。
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图5宽带毫米波MIMO 天线S ： 曲线
图6宽带毫米波MIMO 天线增益-频率曲线
图6为MIMO 天线仿真的增益-频率曲线。
选取*二0。平面为增益取值面，可 到，在5.1〜41.8 GHz 频率范围内，增益最小值为1.55 dB ，最
大值为4.01 dB o
图7为MIMO 天线不同频率远W 畐射方向图，是在
端口 1输入信号且端口 2
的结果。在MIMO
线正常工作频率范围内， 频点6.5 GHz ,15.8 GHz ,34.6 GHz 的E 面和H 面辐射方向图。
一;
-30
-45-30
-15
城市的喧嚣-30-45
-30-15
-30-45
-30-15
图 7 波 MIMO
图
李凯佳，等：一种新型六边形宽带毫米波memo天线93
对于H面(#=90。)，MIMO天线在低、中、高3个频点的方向图都为圆形，其中高频点略有变形，但都具有良好的全向辐射特性；对于E面(*= 90。)，在低频点6.5GHz处,MIMO天线的方向图形为“8”字型，在中高频点的方向图有些许变形，但都具有一定的方向性。由此可知,MMO天线的E 面、H面方向图与单极子天线辐射方向一致，具有良好的辐射特性，符合超宽带(Ul—a Wide Band,UWB)天线辐射方向规定的要求&
4结语
本文设计了一种新型六边形宽带毫米波MI-MO天线&天线工作带宽为5.1-41.8GHz&通过优化调节六边形尺寸，对共面波导接地面采取渐变处理，并在天线贴片上挖倒“凸”字型槽，使得天线带宽变宽，使
其在5.1-41.8GHz范围内回波损耗均小于-10dB，天线的隔离度整体小于-20dB&方向图呈现良好的辐射特性，说明该天线在毫米波通信中具有良好的应用前景&
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黄焖鸡米饭
(责任编辑白林雪)
