《Electronics》：High-Isolation Four-Port Wideband MIMO Antenna Array on Polycarbonate for Sub-6 GHz 5G Systems
Paitoon Rakluea,
Chatree Mahatthanajatuphat,
Norakamon Wongsin,
Wanchalerm Chanwattanapong,
Nipont Tangthong,
Patchadaporn Sangpet,
Supphakon Khongchon and
Prayoot Akkaraekthalin
编辑推荐：
本研究提出了一种用于Sub-6 GHz 5G、物联网（IoT）和雷达应用的高隔离度四端口宽带多输入多输出（MIMO）天线阵列。该阵列采用介电常数$\varepsilon_r = 2.8$、厚度$h = 1$ mm的聚碳酸酯基板制造，整体尺寸为500 × 500
本研究提出了一种用于Sub-6 GHz 5G、物联网（IoT）和雷达应用的高隔离度四端口宽带多输入多输出（MIMO）天线阵列。该阵列采用介电常数$\varepsilon_r = 2.8$、厚度$h = 1$ mm的聚碳酸酯基板制造，整体尺寸为500 × 500 mm2。设计中采用了四个正交排列的改良圆形贴片，配合三角形地平面和优化后的单元间距（$D_1 = 90$ mm），实现了0.7–7.0 GHz的阻抗带宽（ fractional bandwidth (FBW) > 163.63%），所有端口的反射系数$|S_{ii}|$均低于?10 dB。测量结果表明，在0.7–7 GHz频段内，端口间隔离度优于15 dB（最差情况），在63.5%的带宽内隔离度超过25 dB（峰值约50 dB）；包络相关性系数（ECC）极低（<0.008）；总有源反射系数（TARC）在主多端口激励下小于?10 dB；平均有效增益（MEG）平衡（≈?3 dB）；群延迟稳定（~0.5 ns）。在最大 realized gain 为10 dBi的情况下，天线呈现出全向辐射方向图，仿真（CST Microwave Studio）与测量结果高度一致。该天线特别适合用于高吞吐量的Sub-6 GHz 5G基站和宽带无线系统，通过多模谐振实现了优越的端口隔离，无需使用超材料，且性能优于现有的四端口设计。
面向第五代（5G）Sub-6 GHz网络的多输入多输出（MIMO）天线需具备宽带宽、端口间充分隔离及低相关性，以提升数据速率和覆盖范围。尽管四端口设计为基站和物联网网关提供了实用解决方案，但在保持最差情况隔离度大于15 dB的同时，实现低于0.7 GHz的阻抗带宽（FBW超过160%）仍面临巨大挑战，这主要源于紧密排列组件间的互耦效应。现有的超宽带（UWB）MIMO解决方案主要集中于智能手机应用（3.3–8.5 GHz），依赖超材料、缺陷接地结构（DGSs）或中和线等复杂的去耦合方法，难以在低于3 GHz的频率扩展及超宽带内的平衡MIMO性能方面取得突破。此外，针对基础设施的设计如小型化Vivaldi阵列虽具有高增益，但需要复杂的馈电网络，且现有设计多局限于小型化孔径，不适合广泛的_infrastructure_应用。因此，研究人员开展了一项研究，旨在解决大型无超材料或DGS被动阵列中宽带MIMO端口隔离度（>15 dB）和低ECC（<0.01）的固有挑战。
研究人员采用500 × 500 mm2聚碳酸酯基底的四端口阵列，通过正交改良圆形贴片和三角形地实现去耦合。研究利用了CST Microwave Studio 2025软件进行电磁仿真，并制备原型进行测量。关键技术方法包括：基于等效电路模型优化改良圆形单极子天线的几何参数（如半径、馈电间隙、地平面宽度）以扩展带宽；利用四重旋转对称性抑制表面电流耦合；通过优化单元间距（$D_1 = 90$ mm）来最小化近场互耦；以及通过表面电流分布分析验证多模谐振机制下的固有去耦合效果。本研究未涉及具体的样本队列来源，主要基于电磁仿真与实物测量验证。
在S参数仿真与测量结果部分，研究人员得出各端口在0.7–7 GHz范围内$|S_{ii}| < -10$ dB，实现了163.63%的FBW。通过优化单元间距$D_1=90$ mm，相邻端口隔离度优于-50 dB（0.7–1.8 GHz），最差隔离度优于-15 dB，峰值隔离度约50 dB，且无需额外去耦合网络。
在TARC和MEG分析部分，研究人员得出在多端口相位激励下TARC < -10 dB，表明良好的有源匹配性能；在不同交叉极化率（XPR）条件下，MEG均衡约为-3 dB，证实了天线在多径传播环境中的高效信号接收能力。
在ECC和群延迟分析部分，研究人员得出所有端口对的ECC < 0.008，远低于0.5的阈值，证明了极高的分集性能；群延迟在0.5 ns附近保持稳定（波动±0.75 ns），表明相位线性度极佳，无显著信号失真。
在表面电流分布分析部分，研究人员得出在0.7–4.6 GHz典型频率下，电流被限制在被激励单元及其馈电接地连接处，非激励端口电流极小。正交对称性和三角形地平面有效阻断了对角和相邻端口间的表面波传播，从物理层面解释了高隔离度的成因。
在辐射方向图和增益效率部分，研究人员得出天线在全频段呈现近似全向辐射，低频率HPBW约75°，高频率波束变窄；峰值增益达10 dBi，辐射效率从75%提升至98%，总效率超过72%，验证了其在宽带内的稳定性。
讨论部分总结了该设计通过几何结构优化而非复杂电磁材料实现了超宽带和高隔离度的平衡。研究人员指出，正交改良圆形贴片与三角形地的组合通过多模谐振（TM01, TM11, TM21等模式）和电流限制机制，显著降低了互阻抗。与依赖DGS或超材料的紧凑型设计不同，该大型面板设计适用于基站等基础设施，牺牲了便携性换取了极佳的带宽、增益和隔离度指标。
研究结论部分指出，所提出的四端口宽带MIMO天线阵列在500 × 500 mm2聚碳酸酯基板上成功实现了0.7–7.0 GHz的超宽带操作，FBW超过163.63%。通过正交几何排列和三角形地设计，实现了无需超材料或去耦合网络的固有端口去耦合，隔离度在63.5%带宽内超过25 dB，峰值达50 dB。天线表现出极低的ECC（<0.008）、平衡的MEG（≈-3 dB）、稳定的群延迟（~0.5 ns）以及10 dBi的峰值增益。该设计特别适用于Sub-6 GHz 5G基站面板、雷达面板和固定物联网网关等高吞吐量基础设施应用，为大型孔径宽带MIMO天线设计提供了新的范式。
