论文总字数：18490字

目 录

一．绪论 1

1.1选题背景 1

1.2研究现状 1

二．MIMO天线相关理论 2

2.1天线工作原理 2

2.2微带天线相关理论 3

2.2.1微带天线分类介绍 3

2.2.2微带天线优缺点介绍 3

2.2.3常用微带天线分析方法 4

2.3 MIMO天线工作原理与分集途径 5

2.4 天线参数 7

2.5MIMO天线的互耦问题 10

2.6常用提高天线隔离度的方法 11

2.7 MIMO天线设计基础 12

2.8天线仿真设计软件 12

2.8.1 软件介绍 12

2.8.2，设计步骤 13

三.工作于2.4GhzWIFI频段的MIMO天线结构设计 13

3.1天线单元结构 13

3.2两单元MIMO天线 15

3.2.1两单元MIMO天线结构 15

3.2.2两单元MIMO天线优化 16

3.3四单元MIMO天线 19

3.3.1四单元MIMO天线结构 19

3.3.2四单元MIMO天线优化 20

总结与展望 26

参考文献 27

致谢 27

MIMO天线设计

许钰龙

，China

Abstract：The rapid development of society makes demand for mobile communication more and more big, and the demand is higher and higher.The division of existing mobile spectrum is saturated.how to increase the utilization of the scarce spectrum for mobile communications, on the basis of scarce mobile spectrum resources , is the key to promote the development of mobile communication technology. As an indispensable part of the wireless communication system, antennas need to have more communication capacity, so the research and application of MIMO antennas is of great value. In this paper, a two-unit MIMO antenna and four- unit MIMO antenna are designed on the basis of a microstrip antenna, and both can be used for 2.4 Ghz wi-fi frequencies. Through optimization, both MIMO antennas have excellent resonance properties and high isolation, which conform to the design requirements.

Key words：MIMO antenna ;Microstrip antenna；The mutual coupling；Spectrum utilization

一．绪论

1.1选题背景

移动通信作为现代社会中一种必不可少的通信手段，它使得通信不受时间和空间的限制，近十几年来，无线通讯技术正在经历井喷式快速发展。3G，4G的普及极大地方便了我们的生活，目前5G通信也得到了快速发展，有望在不久后给我们提供优质的网络服务。

天线作为无线通信系统必不可少的一部分，决定着信号的接收与发送，随着无线通信系统不断升级优化，天线的性能对整个系统的影响越来越大，有些时候还成了制约整个系统的关键一环。

天线被广泛应用于方方面面，在民用方面，天线主要应用到智能终端、基站和室内分布系统及 GPS定位系统，当我们进行高质量传输语音，图像等信息时，这就必须让天线拥有更高的性能^[1]。

天线最早出现是为了验证电磁波是否存在，后来，物理学家加上调谐电路，并且加上天线和接地系统，用这个天线，可以接收远距离的电信号，之后开始提供可供于民用的利用电磁波进行通讯的无线通信服务。

1.2研究现状

社会不断发展促使人们对于便捷高速的移动通信服务的要求越来越高。现有移动通信频谱的划分已经趋于饱和，很难再有新的频带可以使用，如何在稀缺的移动通信频谱资源的基础上，提高频谱利用率，是推动移动通信技术发展的关键。所以我们寄希望于频谱利用率的提高，对目前比较稀缺的移动通信频谱资源来说，如何大幅度提高频谱利用率，成为摆在大家面前的一个问题。 多输入多输出技术采用多个天线和多个通道，并且在输入与输出端都采用这种结构，从而能在不占用其他频率范围，不增加发射功率的的条件下极大地提高系统的数据传输速率^[2]。这就是应用越来越广泛的MIMO技术。现在MIMO技术的使用还没达到最大化，只在一些通信系统里有使用。主要原因来自于两个方面，一是天线单元的数量，二是各天线单元的间距^[3]。天线的设计有很多影响参数，其中单元之间的间距和单元数量，很大的决定了系统的性能，系统容量的提升要依靠单元数量的增多，一般来说，数量越多，系统容量越多；而天线单元之间的隔离程度和相关性系数则是由天线之间的间距决定，两个参数共同影响着系统容量总的提高值。基站也叫做公用移动通信基站，它是无线电台站的一种形式，在一定的空间范围内，移动通信终端和基站之间进行信息交互，就是通过通信交换中心。建设移动通信基站是我国无线通信领域的一项基础设施，它关系到通信质量，是移动通信建设的基石，同时还要考虑投资效益，后期维护等等因素。因为基站预留空间比较大，我们可以很容易的加大天线单元之间的距离，提高天线隔离度，所以在基站运用MIMO技术有很大的优势和便利。但是对手机这种小型设备，因为手机是我们需要日常携带的物品，它的尺寸首先要满足方便，这就使得手机天线只能拥有很小的空间，单元之间距离肯定很小，耦合程度高，这就要寻找提高单元之间隔离度的方法，另外，手机天线需要有多个频段，蓝牙，WIFI等等都需要工作在相应的频点，对于多频段来说，怎么找到很好的去耦方式就更难，否则想依靠单元数量增多去提高通信容量也是徒劳，单元之间的强互耦会严重影响天线的性能。

综合上面对于研究现状的分析，我们可以认识到MIMO天线的研究需要进一步去深入，小型的拥有较高隔离度的天线系统很有实用价值。

二．MIMO天线相关理论

2.1天线工作原理

天线发射和接收电磁波，它类似于扬声器话筒一类，高频电流通过激励口射入天线结构，转化为高频电磁波向外辐射，当导体内有高频电流时，高频电流的振动会带动导体内电子的振动，在导体的四周激发出电磁场，这就是电生磁。另一方面，天线也可以把四周的电磁波转化为流经导体的高频电流，这就是磁生电，这也就解释了为什么天线之间会相互干扰，产生互耦现象，天线接收和发送是可逆的。在对天线进行性能测试时，无需测试接受和发送两种状态。如果天线的接受性能很好，那么它的发送性能也必定很好，在两种状态时，天线的各种性能参数是等价的，有一致性。

变化的电磁场依靠电子和磁子振动产生，电场和磁场满足条件就能转化。高频振动的电子和磁子都能产生相同的电磁波，但高频电流本来就存在于电路，所以我们比较常用电天线，即通过电子的振动产生的电磁波向空间辐射。天线的辐射强度与导体上的电流大小成正比，设计天线时，我们希望天线在工作点谐振，此时辐射最强，性能最佳。电磁知识告诉我们，当辐射单元为1/4波长的整数倍时，该单元在该波长的频率上谐振，规定1/4波长是串联谐振， 1/2波长被叫做并联谐振。辐射强度与振子长度成正比，但只局限于1/2以内，当长度超过1/2，超出部分是反相位，所以会起削弱作用，不能继续增强，所以我们一般使用1/2或者1/4长度，这样就足够了。偶极天线就是由长度一样的两个导体构成，其他天线可在此基础上变形得到。

电波在真空中传播的速度和光在真空中传播的速度基本一致，但处于不同的介质内，由于介质系数的存在，传播速度也会有所不同，波长也会改变，所以，对于不同的介质，我们可以适当的去缩小天线长度。在有的介质中，天线能缩短不少，但效率可能也就会降低很多。一样的天线，他的工作频率变低会造成波长更长，波长变长会让天线振子变长，那么天线外形就会显得更大。

在介质中，电磁波按一定的规则传播，我们用电场方向分量去命名它的极化方式。若电场和地面呈90度，就是垂直极化波，和地面夹角为0就是水平极化波。天线收发互逆理论告诉我们，接受的天线和发送的天线必须采用一样的极化方式，否则天线不能达到很好的性能要求。

另外，天线阵也被广泛应用，把若干个天线按照一定的规律排列分布就可以组成一个一个天线，这就是天线阵，天线阵可以得到很好的性能，比如更高的增益，需要的方向性图等等，形成天线阵的单元是阵元，直线阵和平面阵是常规方式。在天线阵中，我们往往需要对天线阵的形式，排列位置，大小，电流振幅和相位等进行优化，达到最佳性能。

2.2微带天线相关理论

2.2.1微带天线分类介绍

自从微带天线出现以来，因为通信发展的需要，微带天线被用于很多方面，得到了很大的发展，也处于不断优化的状态。伴随着微带天线应用变得越来越多，人们正在对微带天线做着更深入的研究，成果也是很丰硕，微带天线是许多复杂天线的基础结构，对它的研究非常有价值。下面对微带天线做一些简单的介绍，并对分类做一个说明。微带天线结构简单小巧，由导体薄片粘附在介质基片上，基片背面是地板，一般情况下馈电方式为同轴探针或者微带传输线，激励的加入使得使导体贴片与接地板之间产生高频的电磁场，并通过贴片向外辐射能量。微带天线有多种分类方式，按照外部组成可以分为贴片天线和缝隙天线。其中矩形和圆形是最常用的贴片形状，也方便对天线尺寸的调节。缝隙天线也叫开槽天线，一般为长条形，在辐射导体上开槽，能用传输线馈电，也可以用谐振腔或者是波导。按照极化方式分类，有线极化天线，圆极化天线，椭圆极化天线，也能分为谐振天线以及非谐振天线。

2.2.2微带天线优缺点介绍

微带天线已经被广泛的应用到各种领域中，相比于其他常用天线，微带天线有着自己的优势，与此同时，微带天线也有自己的缺点。

微带天线的应用带宽很广，从 100MHz 到 50GHz范围内都有应用，对比其他天线，微带天线拥有的优点是：

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