0.   引言

随着煤矿信息化与智能化的发展，煤矿通信系统对数据传输速率、信道容量及传输可靠性提出越来越高的要求^[1-2]。多频多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）天线技术不仅可以提高通信系统的频谱利用率、信道容量及可靠性^[3]，还能在一定程度上缓解井下严重的多径衰落问题。然而，由于空间受限，多频MIMO天线单元间距较小，单元间耦合较强，信号干扰严重。因此，如何提高多频MIMO天线单元之间的隔离度成为研究人员广泛关注的问题。

目前，降低MIMO天线单元间耦合的方法有去耦网络法^[4-6]、中和线法^[7-9]、分集技术法^[10]、超材料结构法^[11-12]、缺陷地结构法^[13-14]和寄生谐振结构法^[15-18]等。去耦网络法是通过在天线的馈电端口添加网络来吸收馈电端口向外辐射的电磁波，使其无法传输到相邻的端口，从而减少天线单元间的耦合^[6]，但该网络会引起天线单元输入阻抗失配，需要重新进行阻抗匹配。中和线法是利用1条金属微带线在合适位置将相邻2个天线单元连接，使得单元间产生1条与激励单元电流相抵消的路径，从而降低单元间的耦合，提升隔离度^[9]，但该方法不仅占用的系统空间大，还会对天线的近场辐射产生一定干扰。分集技术法是一种自解耦方法，无需增加附加的去耦结构，在特定的散射条件下能有效增加信道容量，但该方法在使用上具有一定局限性。超材料结构法通常是通过在介质基板上印制周期排列的金属单元实现阻带特性，从而减少天线单元之间的耦合，但该方法会提高天线的剖面，且设计结构复杂。缺陷地结构法是通过在地板上蚀刻不同形状的槽状结构实现带阻效果，从而抑制地板表面波带来的耦合，具有加工简单的优点，但该方法可能会引起天线方向图的改变和辐射效率的降低。寄生谐振结构法是通过在2个强耦合的天线之间增加寄生单元或地板枝节，使得引入的新耦合路径与原耦合路径叠加抵消，从而有效减少耦合，该方法适用性强，解耦效果好，且制作成本低，但对于天线实现小型化具有一定难度。

本文结合缺陷地结构法和寄生谐振结构法的优点，设计了一种矿用高隔离度三频MIMO天线。在矩形枝节的两端加载2个L型枝节形成三叉戟单极子天线，使天线具有三频特性，满足能有效覆盖煤矿井下商用5G NR频段（2.51～2.67，3.40～3.60，4.80～4.90 GHz）、4G频段（1.88～2.66 GHz）、WiFi频段（2.40～2.48 GHz）和WiMAX频段（2.50～2.69 GHz）的要求；在地板上加载T型枝节和蚀刻矩形槽，使天线能在整个频段内实现高隔离度。

1.   天线设计

1.1   整体结构

矿用高隔离度三频MIMO天线由介质基板、辐射单元、金属地板和去耦合结构组成，如图1所示。介质基板采用FR4材料（相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02），尺寸为$ G \times G \times H $（长×宽×高），其上表面印制2个对称放置的辐射单元，该辐射单元由三叉戟单极子天线（在1个矩形枝节两端加载2个L型枝节）、阻抗变换器和微带线组成，下表面覆有$ G \times G_1 $（长×宽）的金属地板，在地板上加载1个T型枝节并蚀刻2个对称的矩形槽，构成去耦合结构。天线采用50 Ω微带线馈电，尺寸为$ G \times G $（长×宽）。L₁−L₁₁为天线各枝节的长度，$ {W_1} $为T型枝节、矩形槽和阻抗变换器的宽度，$ {W_2} $为微带线的宽度，L₁₂为矩形槽的长度，$ d $为矩形槽至T型枝节的水平距离。

图  1  矿用高隔离度三频MIMO天线结构

Figure  1.  Structure of mine high isolation tri-band MIMO antenna

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矿用高隔离度三频MIMO天线参数见表1。

表  1  矿用高隔离度三频MIMO天线参数

Table  1.  Parameters of mine high isolation tri-band MIMO antenna mm

参数	L1	L2	L3	L4	L5	L6	L7	L8	L9
值	21.5	14	2	9.5	1.5	3	1	7	18
参数	L10	L11	L12	d	W1	W2	G	H	G1
值	4.7	25	10	7	1	1.5	50	0.8	25

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1.2   设计过程

理论上，长度约为$ {\lambda _{\rm{g}}} $/4（$ {\lambda _{\rm{g}}} $为天线辐射的电磁波在介质中的波长）的单极子天线具有较好的辐射特性，且其输入阻抗接近50 Ω，易于馈线匹配。波长计算公式为

式中：$ \lambda $为天线辐射的电磁波在真空中的波长；c为光速；f为天线频率；$ {\varepsilon _{\rm{r}}} $为介质基板的相对介电常数。

根据式（1）−式（2）可得三叉戟单极子天线在介质基板中谐振的初始长度，通过Ansoft HFSS电磁仿真软件对天线进行建模和参数扫描优化，从而使得天线工作在所需的3个频段。对称放置2个三叉戟单极子天线，得到天线1（图2（a）），单元间距为0.18λ₁（λ₁为天线辐射的电磁波在低频段中心频点2.3 GHz处的波长）。由于天线单元间距较小，单元之间存在较强的耦合。为了降低单元之间的强耦合，提高天线的隔离度，先在2个单元之间的地板上加载1个T型枝节，得到天线2（图2（b）），利用寄生枝节产生的相反电流抵消未加枝节时耦合产生的电流；在地板上刻蚀2个对称的矩形槽，得到天线3（图2（c）），通过调整矩形槽的尺寸，改变2个单元间地板上的电流分布，抑制地板表面波带来的互耦。天线设计过程如图2所示。

图  2  天线设计过程

Figure  2.  Design procedures of antenna

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T型枝节和矩形槽去耦合原理如图3所示，即利用去耦合结构产生的间接耦合电流来抵消未加去耦合结构时产生的直接耦合电流。当单元1受到电流I激励时，单元1对单元2产生的直接耦合电流为aI（a为耦合因数）。引入去耦合结构后，单元1在T型枝节和矩形槽上产生的耦合电流分别为bI和cI（b和c为耦合因数），T型枝节和矩形槽在单元2上产生的间接耦合电流分别为b²I和c²I。因此，单元2上产生的总耦合电流为aI+b²I+c²I。通过适当调整T型枝节和矩形槽的尺寸，可以改变耦合因数b和c，使单元2上的总耦合电流趋近于0，从而减小单元间的耦合。

图  3  T型枝节和矩形槽去耦合原理

Figure  3.  Decoupling principle of T-shaped branch and rectangular slots

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天线设计过程对应的传输系数$ {S_{21}} $曲线如图4所示。可看出：未加去耦合结构的天线1在1.85～2.70，3.24～3.99，4.65～5.80 GHz 3个频段内的隔离度（即$ {S_{21}} $值的相反数）分别大于9，13，12 dB；加载T型枝节后的天线2在3个频段内的隔离度分别大于10，17，22 dB；加载T型枝节并蚀刻矩形槽后的天线3在3个频段内的隔离度分别大于20，22，22 dB。由此可见，T型枝节主要改善了中频段和高频段的天线隔离度，矩形槽主要改善了低频段和中频段的天线隔离度，最终使得天线3的隔离度较去耦合前的天线1分别提高了11，9，10 dB。

图  4  天线的$ {S_{21}} $曲线

Figure  4.  $ {S_{21}} $ curve of antenna

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为进一步验证去耦合结构的有效性，给出天线在2.5，3.4，5.3 GHz处工作时加入去耦合结构前后的电流分布，如图5所示（以左端口为激励端口，右端口接匹配负载）。可看出：加入去耦合结构前，由于激励天线对非激励天线的耦合作用，右端非激励天线单元存在大量耦合电流；加入去耦合结构后，耦合电流主要集中在T型枝节和矩形槽附近，非激励天线单元表面电流明显减弱。这表明去耦合结构的存在大大提高了天线单元间的隔离度。

图  5  加入去耦合结构前后天线电流分布对比

Figure  5.  Comparison of antenna current distribution before and after adding decoupling structure

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2.   仿真分析

利用Ansoft HFSS电磁仿真软件对本文设计的天线进行性能分析。天线S参数曲线如图6所示（S₁₁为反射系数）。可看出天线工作在1.85～2.70，3.24～3.99，4.65～5.80 GHz 3个频段时相对带宽分别为37.4%，20.7%，22%，能有效覆盖煤矿井下WiMAX/WiFi/4G/5G NR的工作频段，且在3个工作频段内，该天线隔离度分别大于20，22，22 dB，隔离特性好。

图  6  天线S参数曲线

Figure  6.  S parameter curves of antenna

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天线增益如图7所示。可看出天线在1.85～2.70，3.24～3.99，4.65～5.80 GHz 3个频段的增益分别为4.12～4.80，3.85～4.02，3.75～4.22 dBi，增益变化稳定，且符合单极子天线增益大于2 dBi的基本要求。

图  7  天线增益曲线

Figure  7.  Gain curve of antenna

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天线的包络相关系数（Envelope Correlation Coefficient，ECC）如图8所示。可看出天线的2个端口之间的ECC在3个频段均低于0.2，表明2个天线单元有较低的相关性和良好的分集性能，能够很好地满足MIMO天线ECC小于0.5的设计要求。

图  8  天线ECC曲线

Figure  8.  Envelope correlation coefficient curve of antenna

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天线在2.5，3.4，5.3 GHz的辐射方向如图9所示。可看出随着频率的增加，方向图发生了轻微的变化，E面方向图大致呈“8”字形，H面方向图呈“O”字形，呈现全向辐射特性，与理想单极子天线辐射特性有较好的一致性。

图  9  天线辐射方向

Figure  9.  Antenna radiation direction

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为了更好地体现本文所设计天线的性能，选取文献[19-21]中的天线并分别从单元间距、工作频段、相对带宽、隔离度等方面进行比较，见表2。可看出本文设计的天线能够在结构小且紧凑的空间内分别在3个工作频段上实现较宽的相对带宽和较高的隔离度。

表  2  天线性能对比

Table  2.  Comparison of antenna performance

天线	单元间距/mm	工作频段/GHz	相对带宽/%	隔离度/dB
文献[19]	0.20λ1	2.40～2.48	3.3	＞16
		5.15～5.83	12.4
文献[20]	0.40λ1	3.3～3.6	8.7	＞15
		4.8～5.0	4.1
文献[21]	0.2λ1	3.4～3.6	5.7	＞17
本文	0.18λ1	1.85～2.70	37.4	＞20
		3.24～3.99	20.7
		4.65～5.80	22.0

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3.   结语

设计了一种具有高隔离特性的三频MIMO天线。通过1个矩形枝节加载2个L型枝节组成的三叉戟单极子天线，实现了天线的三频工作特性；通过在2个对称放置的三叉戟单极子天线单元间的地板上加载T型枝节和蚀刻2个对称的矩形槽，提高了天线的隔离度。仿真结果表明：该天线工作在1.85～2.70，3.24～3.99，4.65～5.80 GHz 3个频段，能够有效覆盖煤矿井下WiMAX/WiFi/4G/5G NR工作频段；天线在3个频段内的隔离度分别大于20，22，22 dB，隔离性能好；ECC小于0.2，具有良好的分集性能；增益变化稳定；全向辐射特性较好。该天线具有结构简单紧凑、易加工、剖面低等优势，在煤矿无线通信中具有广泛的应用场景。