[论文解读] Ultra-Wideband Antenna with MIMO Diversity for 5G Wireless Communication

Muhammad Saeed Khan, Adnan Iftikhar+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2020

Antenna Design and Analysis参考文献 76被引用 7

一句话总结

本文提出了一款紧凑型八元超宽带（UWB）MIMO天线，具备极化分集与带阻特性，适用于5G无线通信。通过在地平面集成LC枝节，该设计实现了17 dB的隔离度，在2–12 GHz频段内（4.85–6.35 GHz除外）回波损耗低于-10 dB，具有低包络相关性与稳定的辐射图，可在50×50×25 mm³的小型化封装中实现高速数据传输，适用于5G终端与车载网络。

ABSTRACT

An eight element, compact Ultra Wideband-Multiple Input Multiple Output (UWB-MIMO) antenna capable of providing high data rates for future Fifth Generation (5G) terminal equipments along with the provision of necessary bandwidth for Third Generation (3G) and Fourth Generation (4G) communications that accomplishes band rejection from 4.85 to 6.35 GHz by deploying a Inductor Capacitor (LC) stub on the ground plane is presented. The incorporated stub also provides flexibility to reject any selected band as well as bandwidth control. The orthogonal placement of the printed monopoles permits polarization diversity and provides high isolation. In the proposed eight element UWB-MIMO/diversity antenna, monopole pair 3-4 are 180o mirrored transform of monopole pair 1-2 which lie on the opposite corners of a planar 50 x 50 mm2 substrate. Four additional monopoles are then placed perpendicularly to the same board leading to a total size of 50 x 50 x 25 mm3 only. The simulated results are validated by comparing the measurements of a fabricated prototype. It was concluded that the design meets the target specifications over the entire bandwidth of 2 to 12 GHz with a reflection coefficient better than -10 dB (except the rejected band), isolation more than 17 dB, low envelope correlation, low gain variation, stable radiation pattern, and strong rejection of the signals in the Wireless Local Area Network (WLAN) band. Overall, compact and reduced complexity of the proposed eight element architecture, strengthens its practical viability for the diversity applications in future 5G terminal equipments amongst other MIMO antennas designs present in the literature.

研究动机与目标

• 解决5G与UWB应用中因3G/4G及WLAN频段共存带来的挑战，对紧凑型高隔离度MIMO天线的需求。
• 通过正交元件布局与地平面结构优化，克服多阵元MIMO阵列在紧凑尺寸与足够隔离度之间的权衡。
• 利用地平面中的可调LC枝节，实现对5.15–5.825 GHz WLAN频段的动态、可调带阻，且不牺牲尺寸或性能。
• 为未来5G终端设备与车载通信系统实现高谱效率与低串扰。
• 提供一种实用且低复杂度的解决方案，相较于现有MIMO设计，显著提升在便携式与移动设备中的集成潜力。

提出的方法

• 在50×50 mm²基板上采用四对单极子（1–4 和 5–8）的正交布局，以利用极化分集并提升隔离度。
• 在单极子对1–4与3–4之间采用180°镜像配置，以增强空间与极化分集，同时保持紧凑结构。
• 在地平面集成LC枝节，形成带阻滤波器，用于抑制4.85–6.35 GHz频段，通过调整枝节长度与间隙可实现可调谐的谐振频率。
• 在同一基板上垂直布置四个额外的单极子，实现3D结构而无需增加平面面积，从而实现全向3D分集。
• 采用断开式地平面结构，降低近场耦合，避免使用复杂去耦结构，简化制造工艺。
• 通过全波仿真与FR4基板上制作的原型实测，验证了设计性能，对比了S参数、增益、辐射图与包络相关系数（ECC）。

实验结果

研究问题

• RQ1 紧凑型八元UWB-MIMO天线是否能在2–12 GHz全频段内实现高于17 dB的隔离度与低于0.05的包络相关系数（ECC），同时保持超宽带工作特性？
• RQ2 地平面中的LC枝节在不降低辐射性能的前提下，对5.15–5.825 GHz WLAN频段实现动态、可调谐带阻的效率如何？
• RQ3 在50×50×25 mm³的小型化封装中，单极子对在3D结构下的正交布局在多大程度上提升了隔离度与分集增益？
• RQ4 该设计是否能在整个UWB频段内保持稳定的辐射图与低增益波动，同时支持5G与传统3G/4G系统？
• RQ5 与常规地平面MIMO设计相比，采用断开式地平面结构在提升隔离度与降低硬件复杂度方面表现如何？

主要发现

• 所制作的原型在2–12 GHz全频段内（4.85–6.35 GHz除外）回波损耗优于-10 dB。
• 天线元件之间的隔离度在工作频带内超过17 dB，实测值始终高于15 dB，满足有效MIMO分集的性能目标。
• 包络相关系数（ECC）在整个频段内保持在0.05以下，表明具有优异的空间分集性能与低信号相关性。
• 所有频段的辐射图均保持稳定，畸变极小，波束宽度一致，证实了良好的方向性。
• 峰值增益在2–12 GHz范围内变化小于2 dB，表明辐射效率一致。
• LC枝节实现了精确且可调谐的带阻：缩短枝节长度可使陷波频率向更高频段移动，增大间隙则可调节带宽。