如何利用覆盖超表面的MIMO天线阵提升5G天线电路设计的可靠性-EDA365

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如何利用覆盖超表面的MIMO天线阵提升5G天线电路设计的可靠性

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如下图所示，以微带天线线阵为例，在紧耦合的多单元MIMO天线阵的上方合适的距离覆盖一层超材料表面之后，微带天线单元1到微带天线2的电磁波有三条耦合路径：
①：表面波耦合
②：空间波耦合
③：人为制造的反射波耦合合理的调控三条路径上耦合的幅度和相位，可以使得耦合的总效应互相抵消，这样就有效消除了单元之间的互耦。

图1、覆盖超材料表面的微带天线阵列耦合机理分析
本课题组在工作在5GHz频段的两个微带天线单元进行了实物验证。如图10与图11所示，图10是两个互相耦合很强的微带天线，两者之间边到边的物理距离只有约1mm，即不到0.02倍的自由空间工作波长。

图2、两个紧耦合的微带天线

图3、含有超表面的两个微带天线

图4、不含有超表面的和含有超表面的两微带天线单元的测试S参数曲线
从图5可以看到，这个时候，天线1/2虽然有非常好的匹配状态，但是，两个天线之间的隔离度（S21）只有不到8dB。
覆盖一层采用开口谐振环组成的超表面之后，如图3，两个天线之间的匹配和隔离度如图4所示，可以看到，合理设计了超表面的物理参数之后，两个天线的匹配状态没有任何恶化的基础上，两个天线之间的隔离度提升到了接近28dB，总共有20dB的提升。

图5、含有超表面的微带天线测试设置
除了在无源S参数上可以看到超表面对性能的明显提升。我们还研究了超表面对整个微带MIMO天线辐射特性的改善。具体的测试状态如图5所示。我们在实验室自有的SATIMO SG-24系统里测试了两个天线各自激励时候的矢量方向图，并看到了天线效率的提升（图6）和两个天线之间包络相关系数（ECC）的明显降低（图7）。