在終端天線的耦合減小技術方面，本人于2012年在香港中文大學，提出了一種全新的適用于終端天線的耦合減小技術。利用兩個或多個耦合的諧振器網絡，并聯或級聯在兩天線或多天線上，通過合理的綜合設計網絡參數，達到緊耦合的天線的耦合減小和天線匹配保持的效果[12]~[14]，這種解耦網絡，被稱為“耦合諧振器去耦網絡”，其基本的原理圖見圖2。該網絡的主要特點有：

圖2、耦合諧振器解耦網絡電路原理圖

1)?? 體積小，易于集成。最新的基于低溫共燒陶瓷技術的該類去耦網絡可以采用1608封裝，非常適合移動終端使用。
2)?? 此網絡有一套可以根據天線參數進行綜合設計的理論。由于網絡參數可控，該去耦網絡往往能實現相對較寬的解耦帶寬。
3)?? 該去耦網絡不依賴天線形式和參數，只要確定了諧振頻率，有一套機理可以調節以適應各種天線。
4)?? 該去耦網絡本身的參數特性，保證了在解耦的時候，不破壞天線本身的匹配。

為了5G滿足移動終端器件小型化的需求，我們采用了基于1608封裝的低溫共燒陶瓷(LTCC)技術來實現該去耦網絡。采用的材料介電常數為9.8，總共有19層疊層而成。其示意圖請見圖3。

圖3、LTCC實現的兩階耦合諧振器去耦網絡模型圖

3耦合諧振器去耦網絡應用實例我們選取Wi-Fi 2.4GHz頻段作為實例，展示耦合諧振器去耦網絡在實際天線解耦中的作用。圖4的(a)和(b)分別為原始耦合較強的天線以及加入耦合諧振器去耦網絡之后的天線。天線均采用柔性印制電路板(FPC)形式制成，天線支架采用了3D打印機設計加工。

去耦前后，圖4中兩組天線S參數的比較請參見圖5。由圖5可以看出，原來耦合天線雖然匹配滿足要求，但是隔離度只有5至6dB，這說明有25%以上的能量沒有有效輻射，而是被另一天線負載吸收。在合理優化設計耦合諧振器去耦網絡之后，匹配狀態沒有明顯惡化的情況下，隔離度提高到10至15dB，此時耦合的能量已經小于10%?？梢钥吹今詈现C振器去耦網絡對提高天線隔離度的明顯作用。

(a) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (b)

圖 4 (a)耦合雙天線 (b) 去耦雙天線

(a) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(b)

(c)

圖5、解耦前后兩天線的(a)S11,(b)S22和(c)S21的幅度響應

4基于超材料的MIMO天線陣改造技術作為一種嶄新的概念，超材料這類人造的、具有優良電磁特性和電磁調控能力的材料與結構，能夠明顯提升天線的性能及擴展其功能。因此，得到了業內外、國內外的廣泛關注。

本課題組一直非常關注超材料技術及其在MIMO天線陣上的應用，并不斷進行了相關的前沿研究于技術積累。截止目前為止，我們開拓了三種超材料技術與MIMO天線、天線陣及相控陣相結合的天線技術，分別是：

圖6

圖7

圖8

a.? 超表面覆蓋于天線陣列之上（圖6）
b.? 天線單元鑲嵌于超表面同層（圖7）
c.? 超表面替代天線陣列的地板（圖8）
d.? 這三類技術，各有適用。可以根據不同的天線陣形式和應用場景（如基站、終端、CPE設備等）靈活選用。需要說明的是，圖6~8中的天線、超材料結構都是示意。實際中，可以采用其他的天線和諧振結構代替。

5覆蓋超表面的MIMO天線陣如圖9所示，以微帶天線線陣為例，在緊耦合的多單元MIMO天線陣的上方合適的距離覆蓋一層超材料表面之后，微帶天線單元1到微帶天線2的電磁波有三條耦合路徑：

①：表面波耦合
②：空間波耦合
③：人為制造的反射波耦合

合理的調控三條路徑上耦合的幅度和相位，可以使得耦合的總效應互相抵消，這樣就有效消除了單元之間的互耦。

圖9、覆蓋超材料表面的微帶天線陣列耦合機理分析

本課題組在工作在5GHz頻段的兩個微帶天線單元進行了實物驗證。如圖10與圖11所示，圖10是兩個互相耦合很強的微帶天線，兩者之間邊到邊的物理距離只有約1mm，即不到0.02倍的自由空間工作波長。

圖10、兩個緊耦合的微帶天線

圖11、含有超表面的兩個微帶天線

圖12、不含有超表面的和含有超表面的兩微帶天線單元的測試S參數曲線

從圖12可以看到，這個時候，天線1/2雖然有非常好的匹配狀態，但是，兩個天線之間的隔離度（S21）只有不到8dB。

覆蓋一層采用開口諧振環組成的超表面之后，如圖11，兩個天線之間的匹配和隔離度如圖12所示，可以看到，合理設計了超表面的物理參數之后，兩個天線的匹配狀態沒有任何惡化的基礎上，兩個天線之間的隔離度提升到了接近28dB，總共有20dB的提升。

圖13、含有超表面的微帶天線測試設置

除了在無源S參數上可以看到超表面對性能的明顯提升。我們還研究了超表面對整個微帶MIMO天線輻射特性的改善。具體的測試狀態如圖13所示。我們在實驗室自有的SATIMO SG-24系統里測試了兩個天線各自激勵時候的矢量方向圖，并看到了天線效率的提升（圖14）和兩個天線之間包絡相關系數（ECC）的明顯降低（圖15）。

圖14、不含有超表面的和含有超表面的兩微帶天線

圖15、不含有超表面的和含有超表面的兩微帶天線單元之間的包絡相關系數

6采用超材料替代天線地板的MIMO天線技術在天線陣表面覆蓋超表面雖然可以明顯的減小天線單元之間的耦合和改進天線的其他性能，但是會提高天線的剖面，這在很多應用中是我們不希望看到的。因此，我們又探索了將這一層超材料嵌入傳統天線地板的可能性，并得到了一些令人振奮的初步結果。

如圖16所示，我們將一層蘑菇型（接地）的電子帶隙諧振結構（EBG）結構組成的地板替代了原來微帶天線的金屬導體地板，并研究了替代之后的天線特性。研究發現，這類天線陣同樣有著非常低的單元間互耦（工作在28GHz毫米波頻段），如圖17。同時，在單元非常緊湊的同時，有著非常好的相掃能力，如圖18、19。非常適合5G毫米波頻段的帶有相掃能力的終端使用。圖19表面該線陣相掃角度范圍可以達到正負70°。

圖16、采用超材料地板的八單元微帶天線線陣

圖17、采用金屬地板和采用EBG地板的天線陣中兩單元之間的隔離度

圖18、EBG地板八單元線陣相掃示意

圖19、EBG地板八單元線陣二維相掃方向圖

7總結與展望除了上述展示的技術，我們已經成功的證明，超材料覆蓋的技術可以適用于更多的單元數，方陣以及雙極化天線陣的耦合減小和性能提升。我們還驗證了采用超材料包圍的兩單元微帶天線陣，同樣可以達到耦合減小的目的。后續本課題組將針對更為實際的應用場景，將上述提到的技術產品化。為5G技術的進一步普及和提升，盡一份努力。