一种基于Vivaldi技术的宽带端射式9端口MIMO天线，适用于X波段标准化的卫星应用

《AEU - International Journal of Electronics and Communications》：A wideband endfire 9-port Vivaldi-based MIMO antenna for X-band standardized satellite applications

紧凑宽频9端口MIMO天线设计，采用Vivaldi单元阵列实现X波段（6.5-12.2 GHz）高隔离特性（|Sij|<-24 dB），结构包含九个均匀端射的Vivaldi单元共享辐射孔径，配备椭圆形寄生定向器，微带馈线与裂缝线过渡优化，实测回波损耗<-10 dB，峰值增益6.6 dBi，效率77.1%，适用于卫星通信、遥感及SOTM平台。

　　

Rupam Bharati | Anvesh Pandey | Arun Kumar Saurabh | Manoj Kumar Meshram

电子工程系，印度理工学院（BHU），瓦拉纳西 221005，印度

摘要

本文介绍了一种紧凑型宽带9端口MIMO天线，专为X波段标准化卫星通信系统设计。该天线采用九个相同的Vivaldi元件，以均匀的端射方向排列，并在矩形基板上共享一个辐射孔径，该基板的电面积为1.59λ₀ × 5.3λ₀（λ₀在6.5 GHz时计算）。每个Vivaldi元件包括一个锥形微带馈线、一个微带到槽线过渡段、一个指数锥形辐射孔径和一个椭圆形寄生导向器。通过保持相邻元件之间的边对边间距仅为0.05λ₀，实现了紧密集成布局。该天线在6.5–12.2 GHz频段内的测量反射系数（|S_ii| ≤ –10 dB）和元件间隔离度（|S_ij| ∈ –24 dB）均满足要求，完全覆盖了标准化的X波段上行链路（7.9–8.4 GHz）和下行链路（7.25–7.75 GHz）频率范围。在整个工作频段内，辐射特性具有高度方向性和稳定性，元件5的峰值增益和峰值总效率分别为6.6 dBi和77.1%。测量结果与仿真结果非常吻合。对传统指标和多样性指标的全面评估证实了这种宽带MIMO天线的出色性能，突显了其在卫星通信、遥感和移动卫星通信（SOTM）平台中的适用性。

引言

下一代卫星通信系统中对高数据速率链路的需求不断增加，这加速了先进天线技术的研发，这些技术能够在包括船舶、航空系统、高速铁路网络、地面车辆和其他用户终端在内的多种移动平台上提供可靠的宽带连接[1]。通过在使用端和卫星网关处部署具有更多辐射元件的MIMO天线架构，可以有效满足这一快速增长的容量需求[2][3][4]，因为这些架构在频谱效率、链路鲁棒性和空间多样性方面提供了显著改进，从而实现了更可靠和更高吞吐量的卫星通信链路。

在卫星通信环境中，天线子系统必须具备高度方向性、稳定性和宽带辐射特性，以维持可靠的远距离链路并减少同频道干扰。在这种情况下，Vivaldi天线因其固有的端射辐射特性、宽带阻抗特性以及在宽工作带宽内保持高方向性的能力而脱颖而出[5][6]。这些特性使得Vivaldi辐射器特别适合集成到MIMO架构中，可以形成多个定向波束，从而提高数据吞吐量、链路鲁棒性和空间复用效率。当以MIMO配置排列时，Vivaldi元件可以进一步利用空间多样性和复用增益，使其成为实现高速宽带卫星通信链路的理想候选者，适用于新兴的太空和地面用户平台。

近期文献中报道了几种具有定向波束能力的MIMO天线设计[7][8][9][10][11][12][13][14][15][16]。例如，[7]中的设计展示了一种双频段9端口Vivaldi阵列，每个元件独立激励以实现双功能操作，包括一个由两个四元件Vivaldi子阵列支持的主要高增益Vivaldi辐射器，分别覆盖3.5–7 GHz和26.5–40 GHz频段。同样，在[8]中报道了一种双频段4端口5G MIMO天线，其中两个对称的寄生SRR结构作为导向器元件来实现端射辐射特性。在[9]中，一种4端口5G-MIMO配置使用了带有部分接地结构的槽状贴片辐射器，实现了宽带阻抗性能、增益提升和显著的互耦减少。[10]中采用了一种不同的方法，介绍了一种用于X波段应用的4端口MIMO天线，利用蜿蜒馈电的辐射元件提供圆极化（CP）多样性以及高元件间隔离度。在[11]中，提出了一种低矮的4端口Vivaldi基MIMO天线，结合了共享辐射孔径和集成频率选择表面，在28–30 GHz频段内实现了优于–20 dB的元件间隔离度。类似地，在[12]中，提出了一种UWB 4端口MIMO天线，使用了一个具有双非对称喇叭口的不对称Vivaldi元件和矩形接地平面。此外，在[13]中，报道了一种4端口5G-MIMO天线设计，其中带有矩形接地平面和底部喇叭口的反对称Vivaldi辐射器在每个臂上增加了寄生环形环，以改善阻抗匹配并最大化增益。在[14]中，提出了一种4端口5G-MIMO天线，其中Vivaldi元件蚀刻在接地平面中，作为缺陷接地结构（DGS）来增强带宽和隔离度。另一种方法[15]介绍了一种用于6 GHz以上接入点应用的4端口MIMO天线，采用围绕共同中心轴垂直旋转的反对称Vivaldi元件来提高电磁隔离度。最后，在[16]中，两对反对称Vivaldi元件之间有14.5 mm的空气间隙，并以90°的角度间距排列相邻元件，形成了用于5G应用的4端口MIMO天线。

然而，尽管有这些进展，现有文献仍强调需要一种创新的多端口MIMO天线，该天线应包含更多辐射元件，能够在实现高增益和宽带性能的同时，提供高度方向性和稳定的端射辐射，并完全覆盖标准化的X波段上行链路和下行链路频谱。

本文提出了一种创新的宽带9端口MIMO天线，采用Vivaldi辐射元件与椭圆形寄生导向器结合，以实现标准化X波段上行链路和下行链路频段内的高度方向性和稳定端射辐射。所提出的架构在基板的顶层以均匀的端射方向排列了九个相同的Vivaldi元件，而在底层实现了共享辐射孔径，使得紧密排列的元件能够紧凑放置。测量结果表明，在整个工作频段内元件间隔离度始终很高。传统天线参数（包括增益、辐射效率和辐射模式）表现令人满意，而MIMO多样性指标（如ECC、TARC和CCL）也保持在可接受范围内。此外，仿真结果与测量数据非常吻合。由于其宽带频率覆盖范围、稳定且高度方向性的端射特性以及强大的MIMO性能，所提出的9端口天线是下一代卫星通信系统的有希望的候选者。第2节详细介绍了Vivaldi元件的设计，第3节则介绍了完整的9端口MIMO配置。

节选内容

Vivaldi天线的设计与分析

所提出的9端口Vivaldi阵列使用双铜层FR4基板，该基板的相对介电常数为4.4，损耗正切（tan δ）为0.02，厚度（t）为1.6 mm。单个端口Vivaldi天线的布局以及优化的尺寸参数如图1(a)所示。所提出的Vivaldi天线的整体紧凑占地面积约为8.442λ₀2，其中λ₀对应于自由空间波长

9端口MIMO天线的配置和电流分布

在之前描述的Vivaldi天线配置基础上，该配置被用作构建针对X波段（6–12 GHz）应用的9端口MIMO天线的基本构建块，如图4(a)所示。整个天线结构由九个相同且方向一致的子阵列组成，分别标记为#P¹、#P²、#P³、#P⁴、#P⁵、#P⁶、#P⁷、#P⁸和#P⁹，它们排列在一个紧凑的矩形基板上，总占地面积为1.59λ₀ × 5.3λ₀

结果与讨论

在所提出的9端口MIMO配置中，所有天线元件在结构上都是相同的，因此反射和耦合S参数也是一致的。具体来说，|S₁₁|表示反射系数，而|S₂₁|、|S₃₁|、|S₄₁|、|S₅₁|、|S₆₅|、|S₇₅|、|S₈₅|和|S₉₅|表示天线元件之间的互耦。相应的制造原型（包括顶部和底部视图）如图5(a)-(b)所示。制造的Vivaldi阵列原型的S参数为

结论

本文介绍了一种用于X波段卫星通信应用的宽带9端口MIMO天线，采用Vivaldi辐射元件。该天线在6.5–12.2 GHz频段内的阻抗带宽达到了–10 dB，元件间耦合低于–24 dB。辐射模式在整个工作范围内始终保持端射方向性和稳定性。原型实现了77.1%的峰值总效率和6.6 dBi的峰值增益。

CRediT作者贡献声明

Rupam Bharati：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，方法论，概念化。Anvesh Pandey：验证，正式分析。Arun Kumar Saurabh：撰写 – 审稿与编辑，验证，正式分析。Manoj Kumar Meshram：监督。

资助

本研究工作得到了印度新德里的Anusandhan国家研究基金会（ANRF）的支持，项目编号为ANRF/IRG/2024/000618/ENS。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。