紧凑的超宽带MIMO天线系统下5G频段

抽象

本文提出了一种新颖的紧凑2×2的平面MIMO天线系统，超宽带能力。Antenna system is specifically designed to target lower 5th generation operating bands ranging from 2 GHz to 12 GHz. This band also covers the IEEE 802.11 a/b/g/n/ac. The antenna array geometry has been simulated using CST MWS. The design is extremely miniaturized with total structure size of  mm³。仿真和测试结果已经提交。Measured and simulated return loss values for designed antenna are less than −10 dB over the operating band and lowest values of −35 dB and −32.5 dB can been seen at 5.2 GHz and 9.2 GHz, respectively, whereas at the center frequency the return loss is −25.2 dB. The mutual coupling between both elements is less than −20 dB over the transmission bandwidth. Simulated and measured radiation patterns in E and H planes at center frequency show nearly isotropic far fields. The maximum gain is measured as 4.8 dB. Promising results of Envelope Correlation Coefficient and gain diversity of the design have been achieved. Simulated and measured results are found in good agreement. The fractional bandwidth of antenna is measured as 143.2% which satisfies its ultra-wide band response.

1.简介

在未来几年，全球移动数据流量很可能是由45％进行投影。这意味着十倍年2016和2022 [之间增加1]。这种大规模的增加主要是由于移动视频流和实施事（物联网）的互联网。这将导致约18十亿的IoT出共有29个十亿装置[2]。由于这个原因，未来的第五代网络将需要克服更广泛的高频率范围内的需求。关键约束实现和部署5G网络之前2020是频率频谱的可用性;因此需要用于5G都较高和较低频带。

下5G频带是理想的早期部署，由于它们的有利的性质，包括波传播和可用带宽。The main spectrum bands between 2 GHz and 6 GHz are in the ranges from 3.3 GHz to 4.2 GHz and from 4.4 GHz to 4.990 GHz. These bands are presently being considered for initial trials of 5G networks in a number of countries. Table1示出了所述操作区域和它们相应的下5G频带[3]。

为了应对这一挑战，并根据当前的需要，一种新颖的超宽带（UWB）2×2多输入多输出（MIMO）天线系统的设计和模拟。This antenna system covers the frequency band ranging from 2 GHz to 12 GHz, which covers all the lower 5G frequency bands. Its array is an ideal candidate for 5G enabled, handheld devices including mobile phones and tablets. Furthermore, this band also satisfies operating regulations of the UWB according to Federal Communication Commission (FCC) [4]。此外，在IEEE 802.11的a / b / g / n的/ AC标准的Wi-Fi操作移动设备设计的天线罩。

通过使用UWB技术，无线通信设备可以同时消耗较低功率[发送在非常宽的范围的频带的4]。另外，UWB技术为基础的设备有几个其他优点包括高数据速率，更高的带宽，并在成本降低的[五]。在UWB通信设备，前端天线起着非常重要的作用。因此，大量的工作和研究[中6]已经做了设计UWB天线的移动设备。平面天线被认为是有前途的UWB应用解决方案，由于其简单的设计，更低的成本和性能[7]。

MIMO天线系统在无线设备中实现大大以提高信道容量和多径传播[8]。最近一个时期，在UWB和MIMO技术已经被集成在增强性能的无线系统中的高数据速率条件[9]。在设计这些种天线系统的主要挑战是减少的小型手持设备较小的体积内的辐射元件之间的相互耦合。这可以通过偏振分集或通过增加天线之间的空间[来实现8]。交叉极化天线的几何形状通常是复杂的设计，而在较大的体积增加天线的结果之间的空间[10]。为执行UWB MIMO系统中，一些好的方法是辐射模式分集，空间分集和极化分集。在本文中，空间分集是通过使用两个不对称“F”型结构具有非常紧凑的裂隙接地平面来实现[11]。

2.天线设计方法和配置

所设计的天线是一个非常紧凑的2×2 MIMO的UWB天线系统。该天线由两个不对称的“F”型结构的具有非常紧凑的裂隙接地平面。The overall volume of the antenna geometry is 25 × 13 × 0.254 mm³。The proposed antenna system has been fabricated on Rogers substrate (5880) with relative permittivity, dielectric loss tangent, and height values of 2.2, 0.0009, and 0.254 mm, respectively. The front and rear views of the designed antenna system are shown in Figures图1（a），图1（b）和图1（c）。

要开始与已设计的，一个详细的参数研究已经使用CST微波工作室完成的单个天线元件。所有的几何变量的最终值呈现在表2。

该“F”形的修补单极设计由于选择其宽频带特性和在S，C增强的性能，且X波段[12-16]。所述的单一F形贴片的总体尺寸已经被优化以实现UWB特性。为了将一个2×2的MIMO天线阵列，第二个F形贴片已经往复移动在同一平面上。Both antenna ports are resonated at an input impedance of 50 Ω. To reduce the coupling between the two radiating elements, a distance of 13.9 mm has been carefully selected, where this value corresponds to a half wavelength at the upper frequency of operation. Furthermore, compact fractured ground plane has been incorporated; the size of the ground plane is very compact having dimensions of 10 × 3 mm²。断裂的地平面有助于在谐振频率频段实现目标端口阻抗。

3。结果与讨论

提出的超宽频带2×2共面MIMO阵列天线由两个F型单极子组成。几何进一步修改,以实现目标带宽和反射系数50Ω输入端口阻抗。两个天线元件的反射系数相同( ， ）。仿真和测量的反射系数被显示在图2。

如从图中可以看出2，the antenna geometry is resonant at wide range of frequency band starting from 2 GHz to 12 GHz. The lowest values of refection coefficients are observed as −35 dB and −32.5 dB at 5.2 GHz and 9.2 GHz, respectively. The return loss is well under −10 dB for overall band, whereas at center frequency of 8 GHz the return loss has been measured as −25.2 dB. While designing MIMO antenna systems, the main effort achieved lower value of transmission coefficient between the ports and this is regarded as a key factor in design. It can be seen in Figure3这两个单极子以及解耦;also the mutual coupling between both elements in operating band is well under −20 dB. In case of the operation of UWB, usually the fractional bandwidth should remain above 50% [17]，而对于所考虑的天线系统中的分数带宽作为143.2％计，其满足超宽带操作。

模拟和测量辐射图案的用于设计的天线系统的归一化的曲线图显示在图4。

For both antenna elements, the radiation patterns are investigated in E and H planes at center frequency of 8 GHz. The center frequency has been selected to measure the radiation patterns at which the return loss is −25.2 dB. The measurement has been done by exciting each port at a time, while the other port is connected to a matched load of 50 Ω. It can be observed in Figure4这两个模拟和测量远场都同意彼此。此外，这两个元素显示近全向模式。然而，因为它是一个贴片天线，因此，最大的分集可以看出沿-轴。此外，小的变化可以在测量的图案，由于在电波暗室的内部的吸收误差被注意到。不过结果是非常可观的。

数字五shows the measured overall gain of the designed antenna system over the band of frequencies ranging from 2 to 12 GHz. A gain of 2.8 dB has been observed at center frequency.

增益多样性（）被认为是在MIMO天线系统最重要的参数。这可以通过测量MIMO系统的天线元件之间的包络相关系数（ECC）来计算。有两种机制来计算增益多样性的价值，无论是使用α参数天线元件或使用的辐射模式的。在本文中，增益多样性一直使用计算α参数的端口。作为一个假设，统一的多径环境一直被认为和ECC和可以通过使用给定为[等式来计算18，19]。

数据6和7表示ECC的测量和模拟的结果，并分别获得分集。这两个参数的模拟和实测结果都非常具有可比性。

理想的情况是，两个完全分开的MIMO天线系统的ECC应该是零。如从图中可以看出7，在整个频段上的最值保持为零。There are few variations present in the measured result at 2 GHz, 5 GHz, and 12 GHz; this is due to the reflections which are usually caused by the certain components that are present in the anechoic chamber.

数字7示出了增益分集的仿真和测量的值。As it can be seen from the results, the gain diversity reaches up to 10 dB over the band of frequencies under consideration. Certain variation can be observed in measured results due to reflections.

所提出的天线，在文献中可获得类似的天线的性能的比较在表中给出3。该表格清楚地表明，与现有同类天线该天线是非常紧凑的具有高隔离和良好的MIMO和多样性的表现。

4。结论

一种新颖的紧凑UWB MIMO天线系统已经在本文提出的。2×2的MIMO天线系统由两个不对称的“F”型结构具有非常紧凑的裂隙接地平面。所提出的MIMO天线系统具有非常紧凑的尺寸;the overall volume is 13 × 25 × 0.254 mm³。The distance between two elements of the antenna system is 13.2 mm and the coupling between both elements over the total transmission bandwidth is less than −20 dB with peak minimum values reaching up to −35 dB. The maximum gain of 4.8 dB has been observed, whereas the gain at the center frequency was measured as 2.8 dB. Furthermore, the radiation patterns are observed isotropic. Good agreement has been achieved between the results of designed prototype of the MIMO antenna system and its simulated model.

数据可用性

用来支持这项研究的结果的数据是可用的，请相应的作者。

利益冲突

作者宣称，有兴趣就本文发表任何冲突。

致谢

这项工作得到了格兰特没有支持。BA-1512，由英国冰雹大学沙特阿拉伯，授予。

参考

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