用于5G物联网应用的宽带高增益毫米波MIMO天线设计

《IEEE Internet of Things Journal》：Wideband High-Gain mm-wave MIMO Antenna Design for 5G IoT Applications

　　

摘要：

本文介绍了一种紧凑型四端口（2 × 2）毫米波（mm-wave）微带MIMO天线前端，适用于5G新无线电（NR）物联网（IoT）边缘设备和FR2频段的空中连接。该设计并非作为一个独立的电磁结构，而是针对短至中等距离的IoT网关和无人机辅助部署场景而设计，在这些场景中，前端硬件的性能直接决定了链路的可靠性和覆盖范围。该天线采用花瓣形状的辐射器，并结合了改进的缺陷接地结构（DGS），其中包括圆形互补分裂环谐振器（CSRR）、旋转矩形槽和交叉椭圆形槽，从而实现了宽阻抗带宽、高增益以及强元件间的隔离效果，而无需多层基板或外部解耦网络。该天线制造在厚度为0.508毫米的Rogers RT/Duroid?5880基板上，整体面积为37.7 × 37.7毫米2，覆盖5G NR的n258（24.25-27.50 GHz）和n257（26.50-29.50 GHz）频段，总阻抗带宽约为13.5 GHz。测量结果显示，该天线的峰值增益为9.8 dBi，工作频段内的平均增益约为8.7 dBi，辐射效率在85%-88%之间，端口间的隔离度超过26 dB。其MIMO性能表现出色，包络相关系数（ECC）低于0.002，分集增益接近10 dB，且信道容量损失较低。除了天线特性分析外，还基于实测增益和效率进行了面向部署的链路预算分析，并结合大规模路径损耗建模，将验证的硬件性能转化为在实际FR2传播条件下的可实现链路裕度。研究结果证实，所提出的MIMO前端为在密集和空中部署环境中运行的紧凑型高容量5G毫米波IoT边缘设备提供了足够的链路可行性。