應(yīng)用于LTE及5G通信四單元MIMO手持終端天線

王 飛，程鉍峪,2

1.安徽郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院計算機(jī)系,合肥 230031；2.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，南京,210044

單極子天線、平面倒F天線以及倒L天線因其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，易于制作而廣泛應(yīng)用于2G/3G移動用戶手持終端中。其中，文獻(xiàn)[1]中提出基于手持終端天線模型的設(shè)計理念，最后運用該設(shè)計理念設(shè)計了三種立體三維結(jié)構(gòu)的折疊單極子天線。近期，工業(yè)和信息化部發(fā)布了關(guān)于第五代移動通信(5G)頻譜的意見[2]，隨著LTE以及5G通信的不斷建設(shè)與發(fā)展，MIMO技術(shù)將顯得尤為重要。該技術(shù)作為現(xiàn)代無線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過增加發(fā)射天線以及接收天線的數(shù)量可以改善通信質(zhì)量以及提高信道容量而不需要額外的提高發(fā)射天線發(fā)射功率或者增加頻譜帶寬。但隨著天線數(shù)量增加，天線單元與單元之間將會變得越來越緊湊，這將導(dǎo)致天線之間的隔離度變差，因此如何改善天線單元間的隔離度使其隔離度高于10 dB已成為MIMO天線設(shè)計領(lǐng)域中的一個新挑戰(zhàn)[3]。文獻(xiàn)[3]中，通過在天線單元之間使用中和線的方法來提高隔離度。文獻(xiàn)[4-5]中，通過在兩天線單元之間的地板上開槽，其中開槽長度約為半個波長，來改善隔離效果。文獻(xiàn)[6]中，在天線單元間放置一塊矩形金屬貼片，通過在貼片上產(chǎn)生的電流路徑來提高天線間的隔離度。

相比于文獻(xiàn)[7-8]所設(shè)計的MIMO天線系統(tǒng)，本文根據(jù)工信部最新發(fā)布的5G頻譜的意見[2]，提出了一種四單元MIMO天線系統(tǒng)。該天線具有300 MHz(3 300～3 600 MHz)的-10 dB標(biāo)準(zhǔn)下的阻抗帶寬，可以覆蓋LTE band 42(3 400～3 600 MHz)以及5G通信系統(tǒng)(3 300～3 600 MHz)頻譜，單元尺寸僅為5 mm×5 mm×3mm，同時該天線的隔離度、相關(guān)系數(shù)、增益、輻射效率等參數(shù)表明其可以較好地應(yīng)用于當(dāng)前的無線通信系統(tǒng)。

1 天線設(shè)計

該MIMO天線系統(tǒng)采用相對介電常數(shù)為4.4，電損耗正切為0.02的FR4介質(zhì)基板?；宓恼w尺寸為136 mm×68.8 mm×1 mm。圖1(a)所示為MIMO天線系統(tǒng)整體示意圖，介質(zhì)基板的四個頂角分別放置著尺寸為5 mm×5 mm×3 mm的四個尺寸與結(jié)構(gòu)完全相同的立體倒F天線分別折疊在四個FR4支撐體上。圖1(b)所示為倒F天線折疊在立方體的FR4支撐上(為了突出天線結(jié)構(gòu)，立方體支撐在圖中已隱藏)，為了改善天線的阻抗匹配性能，在天線的地平面中除去了一塊梯形區(qū)域，起到了改善匹配的效果。其中天線單元的饋電端口在高頻結(jié)構(gòu)仿真器中(HFSS Ver.15)設(shè)置成矩形區(qū)域，其寬度為1 mm，高度為介質(zhì)基板的厚度，即為1 mm，并通過傳輸線連接至折疊倒F天線單元上。

為了獲得覆蓋LTE 3400及5G通信且超過300 MHz的-10dB標(biāo)準(zhǔn)下的阻抗帶寬，本文所設(shè)計的立體倒F天線具有兩條電流路徑，分別為如圖1(b)中的立方體介質(zhì)支撐的上部頂端的L形路徑以及立方體介質(zhì)支撐的左側(cè)，后側(cè)以及右側(cè)枝條相連接所構(gòu)成的L形路徑。該天線單元兩條路徑的電尺寸約為諧振頻點處3 400 MHz的四分之一介質(zhì)波長的長度，因此該天線利用兩條電流路徑來擴(kuò)展帶寬。

為了獲取設(shè)計頻段處天線的電長度，可以通過以下2個公式計算：

(1)

(2)

式中εr為FR4介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)，εeff為FR4材料與空氣材料均勻混合以后材料的有效介電常數(shù)。經(jīng)過公式計算，兩條L形路徑長度約為3 400 MHz頻點處四分之一介質(zhì)波長的長度。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示，用1#天線單元舉例說明天線單元的諧振點分別隨著兩條路徑長短的改變而變化。其中圖2(a)為第一條L形路徑的參數(shù)分析，其中掃描參數(shù)長度設(shè)為L1；圖2(b)為第二條L形路徑的參數(shù)分析，其中掃描參數(shù)設(shè)為L2；通過參數(shù)掃描分析表明：天線諧振點會隨著第一條路徑的增長而往低頻移動，同樣天線諧振點也會隨著第二條路徑的增長而往低頻移動。

圖2 L1及L2對天線諧振點的分析

對1#天線表面電流進(jìn)行分析，圖3所示為1#天線在3 400 MHz時候的表面電流分布。進(jìn)一步驗證得出該天線的電流路徑1以及電流路徑2的電長度約為四分之一個介質(zhì)波長的長度，兩條電流路徑共同作用較好地改善了阻抗匹配。

圖3 天線在3 400 MHz處表面電流分布

2 仿真與討論

圖4 天線單元S參數(shù)(HFSS)

所設(shè)計的四單元MIMO手持終端天線，分別通過高頻結(jié)構(gòu)仿真器(HFSS Ver.15)以及CST微波工作室(CST MWS Ver.2015)進(jìn)行仿真分析。圖4為通過HFSS仿真分析的該系統(tǒng)各天線單元的S參數(shù)曲線，分別為S11～S44，四條曲線接近重合，圖5為通過CST仿真分析的該系統(tǒng)各天線單元的S參數(shù)曲線，同樣為S11～S44，由于MIMO系統(tǒng)各天線單元結(jié)構(gòu)相同，因此，由CST仿真分析得到的S11～S44四條曲線重合于一條曲線中。分析表明該天線在-10 dB標(biāo)準(zhǔn)的阻抗帶寬下具有超過300 MHz的帶寬，可以覆蓋LTE系統(tǒng)band 42(3 400～3 600 MHz)以及工信部近期提出5G通信的3 300～3 600 MHz頻段。

圖6所示為天線單元之間的隔離度，可知該MIMO天線系統(tǒng)在沒有引入任何去耦結(jié)構(gòu)的情況下具有較高的隔離度。

圖5 天線單元S參數(shù)(CST) 圖6 MIMO天線系統(tǒng)單元間隔離度

根據(jù)文獻(xiàn)[9]中公式即可從已知的單元間S參數(shù)來計算出天線單元間的相關(guān)系數(shù)。

圖7即根據(jù)公式所得出的該MIMO天線系統(tǒng)單元間的相關(guān)系數(shù)，可知在覆蓋頻段內(nèi)該系統(tǒng)的相關(guān)系數(shù)小于0.3。

圖7 MIMO天線系統(tǒng)單元間相關(guān)系數(shù)

圖8 天線單元增益

該天線系統(tǒng)采用四個尺寸與結(jié)構(gòu)完全相同的天線單元，且關(guān)于xz與yz平面對稱，因此圖8給出了1#天線單元以及2#天線單元的增益曲線，圖9給出了1#天線單元以及2#天線單元的輻射效率曲線。圖8所示，1#天線單元增益范圍為3.10～3.23 dBi，在3.52 GHz頻點處達(dá)到最大值；2#天線增益范圍為3.12～3.26 dBi，在3.53 GHz頻點處達(dá)到最大值。圖9所示，在整個覆蓋頻帶內(nèi)天線具有較高的輻射效率，天線最大輻射效率可以達(dá)到80%以上。

圖9 天線單元輻射效率

圖10所示為天線單元在3 400 MHz處xoz、yoz面方向圖，其中圖10(a)為1#天線單元方向圖，圖10(b)為2#天線單元方向圖。

最后為了驗證該天線系統(tǒng)的實用性以及可實現(xiàn)性，將機(jī)身外殼也考慮在內(nèi)，如圖11所示，將該MIMO天線系統(tǒng)放置于1 mm厚度的塑料手機(jī)外殼中進(jìn)行分析[10]，其中手機(jī)外殼的相對介電常數(shù)為3.3，電損耗正切為0.02。圖12(a)為連同手機(jī)外殼仿真后的覆蓋結(jié)果，此時天線覆蓋頻段為3 150～3 500MHz，但仍然可以保持300 MHz以上的頻譜帶寬。因此，MIMO天線系統(tǒng)在后期實際生產(chǎn)加工中增加的附加組件例如手機(jī)外殼時，覆蓋頻段出現(xiàn)了往低頻偏移的情況，對于這種情況依舊可以采取參數(shù)優(yōu)化的方法，使其覆蓋目標(biāo)頻段。如圖12(b)所示，對兩條L形路徑的參數(shù)L1以及L2參數(shù)優(yōu)化，當(dāng)L1為1 mm，L2為3 mm時，連同手機(jī)外殼仿真其覆蓋頻段可以覆蓋3 300～3 600 MHz。通過該項分析表明該MIMO天線系統(tǒng)具有很好的實用性以及可實現(xiàn)性。

圖10 天線在3.4 GHz的輻射方向圖

圖11 天線系統(tǒng)與手機(jī)外殼示意圖

圖12 實用性以及可實現(xiàn)性分析

3 結(jié) 論

MIMO系統(tǒng)具有在不增加信道帶寬以及發(fā)射機(jī)發(fā)射功率的前提下顯著提高系統(tǒng)容量的優(yōu)點，因此MIMO技術(shù)將會成為4G/5G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文就此提出一種應(yīng)用于LTE 3400以及5G通信的四單元MIMO手持終端天線系統(tǒng)。該MIMO天線系統(tǒng)具有尺寸小、覆蓋頻段寬、增益較高以及良好的輻射效率，同時經(jīng)過分析表明該系統(tǒng)具有很好的實用性及可實現(xiàn)性。因此，該MIMO天線系統(tǒng)在LTE以及5G通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。