多頻段MIMO 手機(jī)陶瓷天線設(shè)計(jì)

周凱，王睿喬，趙志恒

1. 哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

2. 中國(guó)科學(xué)院光電研究院，北京 100004

隨著無線電技術(shù)的快速更新和發(fā)展，人們對(duì)其中的無線電天線技術(shù)要求也愈來愈高。MIMO 技術(shù)作為未來無線電技術(shù)的發(fā)展方向，以其能夠充分利用空間資源、通過多個(gè)天線單元實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收、在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下可以大幅度提高系統(tǒng)信道容量，而為業(yè)界所重視[1-3]。

但在實(shí)際應(yīng)用中，還有一些問題亟待解決。其中，一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是無線設(shè)備內(nèi)部天線設(shè)計(jì)尺寸的小型化問題。無線設(shè)備尺寸的小型化是未來工業(yè)設(shè)計(jì)的基本要求，更多的設(shè)計(jì)都是在極小空間中來完成。因此，無線電天線尺寸只有盡可能縮小，方能跟上元器件發(fā)展的步伐。但是，尺寸的小型化絕不意味著功能的弱化，而是既要滿足設(shè)備的小型化，又要滿足設(shè)備的功能性，真正做到小而強(qiáng)。解決這個(gè)問題要從新材料和天線結(jié)構(gòu)上找到突破口。

復(fù)合陶瓷材料在改變天線輻射上有過很多的應(yīng)用，大多數(shù)在GPS 天線和WLAN 天線上進(jìn)行工程應(yīng)用[4-7]。例如用陶瓷材料RO4360 設(shè)計(jì)GPS 天線，讓GPS 天線具有更寬的頻帶和更小的尺寸，用RO4003 設(shè)計(jì)WLAN 天線高頻板，減少WLAN天線環(huán)路。但是陶瓷材料在手機(jī)天線、寬帶天線和小尺寸天線設(shè)計(jì)中應(yīng)用較少。本文提出雙頻帶MIMO 天線的構(gòu)想。該天線以復(fù)合陶瓷材料為基礎(chǔ)輻射單元介質(zhì)的小型饋電手機(jī)天線，沒有集總元件。該天線的優(yōu)點(diǎn)在于具有多頻段和寬帶特性。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)上最大限度地減少了天線環(huán)路的數(shù)量，所以提供更多帶寬；并且具有較小的天線體積，在PCB 板上的占用率較低，改變了電流分布區(qū)域并改善天線之間的耦合相關(guān)性。該天線頻段能夠覆蓋GSM900、DCS1800、PCS1900 和LTE1900等頻段，適合多頻段移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 輻射單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

手機(jī)天線介質(zhì)基板材料選擇FR-4 環(huán)氧玻璃纖維板，其介電常數(shù)為4.4，介質(zhì)板的大小為110 mm×55 mm×1.5 mm。天線輻射單元印刷時(shí)選擇復(fù)合陶瓷材料作為天線輻射單元載體的材料，其相對(duì)介電常數(shù)為6.45，損耗角正切為0.001 1[8]，載體的尺寸為32.5 mm×15 mm×2.8 mm。圖1 為移動(dòng)手機(jī)陶瓷天線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 手機(jī)陶瓷天線的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

其中天線結(jié)構(gòu)尺寸為L(zhǎng)=32.5 mm、L1=15 mm、W=17 mm、W2=9.5 mm、W3=12.5 mm、W4=9.5 mm、W5=6 mm、W6=4 mm、W7=22.5 mm、W8=1.5 mm、W9=0.5 mm、W10=9 mm、H=3 mm、H1=1.5 mm、H2=2.8 mm。其中仿真薄片的厚度為0.2 mm，單極子結(jié)構(gòu)的寬度均為1.5 mm。通過50 Ω 微帶線饋電給底部印刷的單極子結(jié)構(gòu)，單極子結(jié)構(gòu)、陶瓷結(jié)構(gòu)和折疊部分構(gòu)成諧振環(huán)路結(jié)構(gòu)。與大多數(shù)MIMO 手機(jī)天線不同，該MIMO 天線設(shè)計(jì)的PCB在電路系統(tǒng)布局更加靈活實(shí)用，2 個(gè)天線輻射單元在設(shè)計(jì)過程中選擇中心原點(diǎn)對(duì)稱，饋電線連接到PCB 接地與天線金屬貼片之間，可以有效地減少手機(jī)天線空間的使用。復(fù)合陶瓷材料的介電常數(shù)大于FR4 環(huán)氧玻璃纖維介質(zhì)基板的介電常數(shù)，L 型金屬單極子長(zhǎng)度為22.5 mm，并且在其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上新添加分支結(jié)構(gòu)，旁邊的分支結(jié)構(gòu)使其在0.87 GHz 處產(chǎn)生了新的諧振。陶瓷結(jié)構(gòu)外圍為該天線設(shè)計(jì)的金屬折疊型結(jié)構(gòu)，折疊型結(jié)構(gòu)不僅能夠節(jié)省天線輻射單元的占用空間，而且還能有效提高天線的帶寬。陶瓷介質(zhì)部分可以選用在PCB 板直接電印刷，電印刷好后的PCB 板和折疊型結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合加工。也可以采用激光直接成型技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，因此該天線在制作工藝上具有更高的靈活性[9]。

1.2 MIMO 天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

MIMO 天線系統(tǒng)性能的優(yōu)劣主要是由天線單元的數(shù)量、天線的擺放方式、天線的單元間距和相互之間的耦合等因素決定，隨著天線數(shù)量的增加，MIMO 系統(tǒng)不用增加放射功率和帶寬便可提高系統(tǒng)信道的容量。但是MIMO 天線與傳統(tǒng)的單天線的性能指標(biāo)略有差別，需要考察其耦合系數(shù)和相關(guān)性系數(shù)等指標(biāo)[10-13]。因此在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到天線輻射單元結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)特性，例如端口參數(shù)S21和包絡(luò)相關(guān)系數(shù)（envelop correlation coefficient，ECC）等參數(shù)。

2 天線輻射單元仿真

在手機(jī)天線的設(shè)計(jì)中，分為有源測(cè)試參數(shù)和無源測(cè)試參數(shù)。無源測(cè)試指標(biāo)包括頻率、方向圖、天線輻射效率、電流分布等，有源測(cè)試指標(biāo)包括天線輻射總功率（total radiated power，TRP）和天線接收靈敏度（total isotropic sensitivity，TIS）等，這些都是衡量手機(jī)天線的重要指標(biāo)。在MIMO 天線設(shè)計(jì)當(dāng)中，考慮仿真得到天線每個(gè)輻射單元的參數(shù)指標(biāo)是十分必要的，當(dāng)MIMO 天線輻射單元具有良好的輻射特性時(shí)，MIMO 天線整體的輻射特性才能有所提高。如果輻射天線單元設(shè)計(jì)有誤，則會(huì)對(duì)天線的電磁兼容特性產(chǎn)生影響。

天線設(shè)計(jì)要求覆蓋的主要頻段包括GSM850、GSM900、DCS1800、PCS1900 和LTE1900 等。本文設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)通過Ansoft HFSS 電磁仿真軟件進(jìn)行仿真，圖2 為仿真得到每個(gè)輻射單元的回波損耗。

圖2 輻射單元回波損耗

圖2 展示了有陶瓷結(jié)構(gòu)介質(zhì)、沒有陶瓷結(jié)構(gòu)介質(zhì)的情況下不同回波損耗參數(shù)的結(jié)果，從端口S參數(shù)來分析S11參數(shù)，一般以回波損耗|S11|＞10 dB為參考標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)圖2 和表1 的數(shù)據(jù)顯示，設(shè)計(jì)的新型陶瓷結(jié)構(gòu)天線具有良好的雙頻段特性。低頻段在0.85～1.17 GHz，高頻段在1.65～2.18 GHz，其覆蓋了GSM900、DCS1800、PCS1900 和LTE1900等頻段。沒有陶瓷介質(zhì)結(jié)構(gòu)的輻射單元的諧振頻段為1.98～2.84 GHz，輻射單元尺寸為35 mm×19 mm×3 mm。沒有陶瓷介質(zhì)的天線諧振頻段是1.03～1.25 GHz 和1.50～2.19 GHz。相比于沒有陶瓷介質(zhì)結(jié)構(gòu)的天線，本文設(shè)計(jì)的陶瓷天線具有小型化的優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化上能夠減小23.5%的實(shí)際空間尺寸。

表1 不同材料和尺寸的電路諧振頻段和相對(duì)帶寬

表1 是根據(jù)圖2 仿真數(shù)據(jù)分析得到的電路諧振頻段和相對(duì)帶寬，通過回波損耗得到天線傳輸頻段。該表格列出3 種不同情況下天線結(jié)構(gòu)、材料、尺寸、諧振頻段和相對(duì)帶寬等參數(shù)。

為了更好地了解天線的工作模式，本文選擇電流密度分布來進(jìn)行分析。圖3 顯示了陶瓷天線單個(gè)結(jié)構(gòu)不同頻率的電流密度分布，選擇4 個(gè)相關(guān)頻率來進(jìn)行仿真觀察。

圖3 不同頻率電流密度分布

從部分單獨(dú)單天線結(jié)構(gòu)分析，其中最長(zhǎng)外圍天線結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為50.5 mm，主要輻射頻段為頻率較高的頻段。根據(jù)圖3（a）、（b）可以觀察低頻帶GSM900（855～954 MHz）的電流分布。天線電流頻段在0.89 GHz 處時(shí)，電流從輸入端流向單極子天線結(jié)構(gòu)和折疊型結(jié)構(gòu)。電流頻率在0.93 GHz時(shí)，折疊結(jié)構(gòu)電流密度降低，單極子分支結(jié)構(gòu)的電流密度有所減弱；當(dāng)頻率電流為1.80 GHz 時(shí)，折疊結(jié)構(gòu)和單極子天線結(jié)構(gòu)電流密度比低頻處的電流密度要高出許多；電流頻率增至1.94 GHz時(shí)，單極子結(jié)構(gòu)和折疊結(jié)構(gòu)的電流密度有所加強(qiáng)，天線在高頻處輻射較強(qiáng)。根據(jù)電流密度仿真圖可知，在電路諧振高頻處頻率主要受到單極子、分支結(jié)構(gòu)和折疊結(jié)構(gòu)（L、W6和H）的影響，而在低頻處只受到單極子W2、W3影響。手機(jī)天線相對(duì)于其他半導(dǎo)體天線，要求全向性，并且留出一定空間凈空，尤其是手機(jī)天線的全向性是非常重要的。圖4 顯示天線輻射單元的仿真xoy、yoz和xoz平面方向圖。

圖4 輻射單元平面方向圖

從仿真結(jié)構(gòu)看，新設(shè)計(jì)出的陶瓷天線輻射單元分別在xoz面和yoz面輻射后瓣較小，輻射特性良好。在xoy面上，天線方向圖沒有發(fā)生畸變，天線輻射特性良好。滿足單元天線設(shè)計(jì)需求。

3 MIMO 手機(jī)天線仿真

MIMO 天線有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中卻有很多工程問題需要解決。例如天線輻射單元間相互耦合、輻射單元和射頻電路之間相互耦合等問題。其中，S21和ECC 是衡量MIMO 天線耦合隔離度的重要參考指標(biāo)。S21是插入損耗，S21越大表明端口傳送效率越高。但是在手機(jī)天線設(shè)計(jì)中，S21越大，天線輻射單元之間會(huì)產(chǎn)生耦合，影響天線的輻射效率；因此在設(shè)計(jì)MIMO 手機(jī)天線時(shí)，一般要求隔離度|S21|＞10 dB 才能滿足低耦合的要求。圖5 是MIMO 天線輻射單元接口的S21參數(shù)，其中在最小點(diǎn)|S21|＞23 dB，滿足射頻電路和輻射單元之間耦合隔離度的要求。

圖5 參數(shù)S21 曲線

ECC 代表不同的天線單元間接收信號(hào)幅度之間的相關(guān)性，是衡量MIMO 多天線系統(tǒng)分集性能和耦合性能的重要指標(biāo)。對(duì)于MIMO 手機(jī)天線，要求ECC 在天線低頻段處要小于0.5，在高頻段處要小于0.4。該值越小代表的分集增益越大。近幾年來出現(xiàn)了很多種計(jì)算相關(guān)系數(shù)的方法，很多學(xué)者利用天線電路中所測(cè)得的S參數(shù)來計(jì)算其ECC 值：

式中：Eij代表天線i和天線j的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)；Sii和Sjj為天線的回波損耗；Sij和Sji為天線不同端口的插入損耗。圖6 為包絡(luò)相關(guān)系數(shù)圖，其中具有陶瓷介質(zhì)的天線在0.75～1.2 GHz 頻段的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)低于0.45，在1.75～2.2 GHz 頻段的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)低于0.4，滿足MIMO 手機(jī)天線隔離相關(guān)度的要求。沒有陶瓷結(jié)構(gòu)的手機(jī)天線在1.75～2.9 GHz頻段的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)低于0.5，有陶瓷結(jié)構(gòu)天線相比于沒有陶瓷結(jié)構(gòu)的天線在耦合隔離度上具有更優(yōu)越的性能。

手機(jī)天線的全向輻射特性在手機(jī)設(shè)計(jì)中非常重要。圖7 為MIMO 天線的平面方向增益圖。其中xoy、yoz和xoz面都具有良好的全向性輻射特性，滿足手機(jī)天線設(shè)計(jì)需求。該天線在0.89 GHz頻段和0.93 GHz 頻段的輻射特性相對(duì)于1.80 GHz頻段和1.94 GH 頻段要低。

圖6 包絡(luò)相關(guān)系數(shù)

圖7 MIMO 天線輻射平面增益

4 實(shí)物加工測(cè)試

在實(shí)物天線加工過程中，國(guó)內(nèi)大部分天線供應(yīng)商都采用電印刷的方式。為了節(jié)約成本，本實(shí)驗(yàn)采用組合加工的方式，天線底部PCB 板選擇用電印刷方式進(jìn)行加工，陶瓷載體和折疊型結(jié)構(gòu)應(yīng)用Ausbond 電膠進(jìn)行組合加工。因此在整體工藝上，會(huì)出現(xiàn)部分誤差。圖8 為天線制作實(shí)物圖。

圖8 天線實(shí)物加工圖

測(cè)量天線網(wǎng)絡(luò)端口參數(shù)S11和S21時(shí)，選用安捷倫E5063A 網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行頻段測(cè)試，在測(cè)試過程中分別對(duì)無源參數(shù)回波損耗（S11）和插入損耗（S21）進(jìn)行測(cè)量。圖9 顯示了網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量回波損耗（S11）參數(shù)后頻段和仿真頻段的對(duì)比，圖10 顯示測(cè)試的插入損耗（S21）的測(cè)量數(shù)值。由于真實(shí)加工環(huán)境是組合加工，在對(duì)折疊型結(jié)構(gòu)和陶瓷結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工整合過程中會(huì)出現(xiàn)誤差，因此會(huì)對(duì)最終測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。可能導(dǎo)致頻段與仿真結(jié)果產(chǎn)生了小幅度的偏差。

圖9 回波損耗S11 測(cè)量值

圖10 插入損耗S21 測(cè)量值

根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，S11參數(shù)在高頻處頻率部分偏移，其帶寬變化不大；S21參數(shù)滿足|S21|＞10 dB的要求。同時(shí)，通過測(cè)試得到的S11和S21參數(shù)，根據(jù)式（1）得到包絡(luò)相關(guān)系數(shù)，并且與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，如圖11 所示。從圖11 可以看出，實(shí)際測(cè)量計(jì)算后的相關(guān)包絡(luò)參數(shù)應(yīng)用頻段上整體小于0.5。在設(shè)計(jì)上驗(yàn)證了MIMO 天線隔離度的要求。

圖11 包絡(luò)相關(guān)系數(shù)

天線通過暗室測(cè)量天線方向圖。圖12、13 為天線在0.89 GHz 和1.8 GHz 處的xoy、yoz和xoz平面實(shí)測(cè)天線方向圖。從實(shí)際測(cè)量的方向圖看出，0.89 GHz 下的xoy面方向圖與仿真圖出現(xiàn)了稍微的偏差。因?yàn)樾滦吞沾奢d體天線組合加工等問題，所以可能會(huì)影響到天線的輻射特性。

從測(cè)量方向圖上可以看出新設(shè)計(jì)的手機(jī)陶瓷天線整體的輻射特性沒有太大的波動(dòng)，整體保持平穩(wěn)。天線保持一個(gè)良好的全向輻射特性，基本滿足天線全向性的一個(gè)要求。

圖12 0.89 GHz 平面方向圖

圖13 1.8 GHz 平面方向圖

手機(jī)天線無源參數(shù)測(cè)試中，輻射效率是衡量天線設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)，圖14 顯示了天線總輻射效率，根據(jù)天線的總輻射效率可以進(jìn)一步分析天線的輻射特性。

圖14 天線總輻射效率

由于在測(cè)量過程中會(huì)有饋線損耗和半封閉金屬外殼等因素的影響，輻射效率維持在20%～40%。0.89～0.97 GHz 頻段的天線輻射效率為21.3%～28.3%，1.71～2.20 GHz 頻段的天線的輻射效率為24.3%～35.2%，天線留出凈空區(qū)的條件下，滿足天線的輻射效率要求。

手機(jī)天線OTA（over the air）測(cè)試能更好地衡量手機(jī)天線性能，其中最重要的2 個(gè)有源參數(shù)指標(biāo)是總輻射功率和接收靈敏度。但是總接收靈敏度和總輻射功率一般用在整機(jī)測(cè)試中，因此本文主要以無源測(cè)試指標(biāo)為主。

5 結(jié)論

本文提出了一種復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)MIMO 天線。天線覆蓋多個(gè)頻段，應(yīng)用陶瓷結(jié)構(gòu)和折疊型結(jié)構(gòu)，有效地減少了天線尺寸和移動(dòng)手機(jī)天線帶寬展寬問題。

1）天線輻射單元具有全向特性，并且滿足天線耦合隔離度的設(shè)計(jì)需求。

2）由于在半封閉金屬外殼環(huán)境下，天線輻射效率在20%～40%，基本滿足要求。

3）在拓寬帶寬和減小天線尺寸的問題上，是否有更合適的材料是未來移動(dòng)手機(jī)天線設(shè)計(jì)的一個(gè)課題。本文設(shè)計(jì)的天線可給天線設(shè)計(jì)研發(fā)者一定的設(shè)計(jì)參考。