紧凑型设备的MIMO天线合成

Synthesizing MIMO Antennas for Compact Devices

AWR Group, NI, El Segundo, Calif.

日益增长的无线连接和物联网（IoT）需求越来越依赖于更高性能、更低成本和更小尺寸的定制天线解决方案。多输入多输出（MIMO）技术提供了更高的吞吐量和通信可靠性，这是许多物联网应用所需要的。然而，MIMO需要单个设备内拥有多个天线，而且要确保高性能，不仅要求天线性能良好，还要求天线之间高度隔离。隔离可以很简单地通过分离天线来实现，但是这样做会导致整个设备相当庞大，而且需要外部天线。对于紧密排列的内部天线，我们可以使用扼流圈、匹配网络和其他技术来实现高隔离度，但每种方法都有其优缺点。

在保持良好性能的同时隔离天线，尽可能减小尺寸并手动优化所有一切来满足多种性能指标（阻抗匹配、耦合、辐射效率、工作带宽）非常耗时，涉及到大量的迭代仿真和重要的设计知识。由于天线工程师远远无法满足市场对设计经验的需求，就亟需一个替代方案。本文介绍了AntSyn™最新版本的新特性和功能，AntSyn是一款自动化天线设计、优化和合成工具，可帮助设计人员根据用户需求自动合成紧凑型MIMO天线阵列。

根据要求进行天线设计

AntSyn将先进的优化算法、专业系统和电磁（EM）仿真结合到一个用户友好的工具中，基于“所需即所得”的设计理念，由用户输入天线要求，而不是采用参数化物理设计。AntSyn的规格参数包括频带、目标阻抗匹配或回波损耗，耦合和尺寸或外形结构。这些参数输入到直观的“规格表”用户界面后，会自动整合到一个项目文件中。运行规格表后，AntSyn将返回一个或多个优化的天线设计，并将结果显示在可自定义的仪表板中，方便用户进行快速评估（图1）。由用户定义的仪表板可以设置为查看建议的三维模型和输入阻抗与频率的关系、最大增益与频率的关系、辐射模式削减和定性星级，所有这些都有助于快速识别性能较高的参数。AntSyn已广泛用于开发多种类型的天线，包括单频、双频和多频天线；宽带和超宽带（>100:1）天线；高效率天线；负载天线；电小天线；相控阵天线；导线天线；贴片天线；共形天线；手机天线；喇叭天线；极化天线和多功能天线。

图1：AntSyn生成经优化的天线设计，并在可自定义的仪表板中显示其性能。

AntSyn的最新版本对35个功能进行了改进，新增了42个天线类型。该版本的几项新功能专门用于生成紧凑型MIMO设计，其中包括针对地平面天线的精度和特性改进，多端口多功能计算机生成网状天线以及增强的匹配网络优化，可允许每个端口分别进行匹配和优化。

新的网状天线非常特别，灵活性极高，包括一组四个带有两个或三个端口的新型天线。这些端口可以独立分配到不同的频段，每个频段的射频要求各不相同，例如不同的极化、增益模式和频率。AntSyn会针对给定规格对天线网格进行优化，而且软件具有足够的灵活性，可帮助用户开发全新的天线。网状天线的图片如图2所示。网状天线的两个标准版本均可以放置在地面的任何角落或边缘或中心，如图2所示。地面可以固定在天线下方，或者也可以是优化的网格。共面单极版本的网格下面没有地面；预计将投射到地面的一个边缘，这对于许多应用可能非常有用。

图2：新型网状天线：双端口标准天线（a），三端口标准天线（b），双端口共面单极天线（c）和三端口共面单极天线（d）。

例子

以下示例使用具有出色带宽和灵活性的共面单极天线来演示AntSyn如何合成这些天线，组成具有良好隔离和阻抗匹配的高性能MIMO阵列。基于最新版本的新功能，AntSyn可用于为概念性紧凑型设备创建两端口和三端口MIMO天线。这一概念性设备具有以下特点和要求：

•双频Wi-Fi（2.4和5GHz）

•紧凑的平面物联网设备封装，尺寸近似于一张名片（90毫米x50毫米）

•天线与电子部件集成，天线沿着长边放置

•MIMO，其中每个设备上配有用于发射和接收的两端口或三端口天线，并且端口之间具有最大隔离，用于创建互不相关的通道。

首先，使用空气作为介质，对使用多功能网格共面单极双端口MIMO天线进行了优化。图3所示为优化后的天线及预测的性能。该天线的两个端口在双频Wi-Fi频率下具有相当好的VSWR和隔离度，最大驻波比约为1.8:1，最大耦合约为-16.5dB。在最低频率下，天线边缘相隔不到0.093λ，端口本身仅相距0.41λ。可以看出，这两个元件的形状有一些相似之处，但并不完全相同。这是符合预期的，有助于提高隔离度。

图3：双端口MIMO天线（a）的VSWR（b）和耦合（c）与预测相符。

将天线导入到NI AWR设计环境，也就是Microwave Office仿真器，然后使用AXIEM 3D平面电磁仿真器仿真2-6GHz的情况。结果与AntSyn的预测相符；最差情况下的耦合是-16.8dB。尽管Wi-Fi频段之间的耦合和驻波比确实有所增加，但是带内性能非常好。

AntSyn也用来优化使用匹配网络的三端口天线，通过缩小间隔来优化性能。VSWR的最大值约为1.8:1，而最靠近的两个端口（图4中的右端口和中心端口）之间的最大耦合为-14.7dB。这些端口在2.4GHz下的间距仅为0.163λ，元件之间的最小间距为0.048λ。从中心到左端口的距离也是0.31λ。这些天线的形状甚至比两端口天线的例子更多样。本质上，AntSyn为每个端口创建了不同的天线，在中心端口和左端口之间放置了一个寄生栅栏。这种复杂性是AntSyn自动创建的，这也证明了遗传算法的内在强度和强壮性，使得用户能够充分探索设计空间，以产生具有最佳性能的MIMO天线。

图4.三端口MIMO天线和匹配网络（a）的VSWR（b）和耦合（c）与预测相符。

AntSyn提供了一个自动化天线设计、合成和优化工具，非常适合包括紧凑型MIMO阵列在内的复杂天线。它可帮助设计人员应对移动设备和物联网组件内的下一代天线设计和集成挑战。