5G 終端天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜述

趙張?jiān)?，朱燦焰

(蘇州大學(xué) 軌道交通學(xué)院，江蘇 蘇州215000)

0 引言

面向2020 年及未來(lái)，移動(dòng)通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)將邁入第五代移動(dòng)通信(5G)的發(fā)展階段。 5G 能夠滿足人們超高流量密度、超高移動(dòng)性的需求，為用戶提供高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、云桌面、在線游戲等極致業(yè)務(wù)，還將滲透到物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，與工業(yè)設(shè)施、醫(yī)療儀器、交通工具等深度融合，全面實(shí)現(xiàn)“萬(wàn)物互聯(lián)”，有效滿足工業(yè)、醫(yī)療、交通等垂直行業(yè)的信息化服務(wù)需要。 5G 天線則是實(shí)現(xiàn)以上這些愿景至關(guān)重要的系統(tǒng)部件之一。

面對(duì)信息的快速增長(zhǎng)，通信能力不足的弊端日益明顯，多頻帶雙極化天線成為一種主流選擇，近來(lái)，具有堆疊貼片的緊湊尺寸雙極化天線通過(guò)多模操作來(lái)提供雙傳輸通道變得非常流行[1]，但是由于存儲(chǔ)空間的狹小，這些天線往往隔離較差并且增益較低，這也是要著重解決的難題。與傳統(tǒng)天線相比，可重構(gòu)天線具有簡(jiǎn)化、小型化等許多優(yōu)勢(shì)，可以改變方向圖、頻率和極化性能，因此，非線性設(shè)備也被廣泛用于無(wú)線通信系統(tǒng)中，在這種情況下，天線如果沒(méi)有諧波抑制能力，就會(huì)出現(xiàn)電磁兼容性問(wèn)題[2]；而且，為了進(jìn)一步提高能量轉(zhuǎn)換的效率，抑制諧波是必不可少的。 在傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常會(huì)采用大容量、高成本和插入損耗濾波器來(lái)抑制諧波，但這又會(huì)影響系統(tǒng)的阻抗匹配，所以天線設(shè)計(jì)中也要注意這兩者的平衡。 另一方面，盡管許多天線設(shè)計(jì)旨在達(dá)到盡可能大的工作帶寬，然而由于各種通信系統(tǒng)的共存，在實(shí)現(xiàn)抗干擾傳輸?shù)耐瑫r(shí)滿足超寬帶設(shè)計(jì)也很具有挑戰(zhàn)性。

在4G 系統(tǒng)中，MIMO 技術(shù)已經(jīng)獲得較為廣泛的應(yīng)用，面對(duì)5G 在傳輸速率和系統(tǒng)容量等方面的性能挑戰(zhàn)，天線數(shù)目的進(jìn)一步增加仍將是MIMO 技術(shù)繼續(xù)演進(jìn)的重要方向。 同時(shí)，正如上文所提到，許多其他設(shè)計(jì)方案也在5G 智能終端的需求上顯示出很好的應(yīng)用前景，其中最有代表性的便是MIMO 天線、頻率可重置天線和縫隙天線。

本文就5G 天線的研究現(xiàn)狀做了介紹，展示了MIMO天線、頻率可重置天線及其他常見(jiàn)天線的設(shè)計(jì)，對(duì)天線設(shè)計(jì)中去耦合技術(shù)及帶寬拓展技術(shù)作了闡述。

1 MIMO 天線相關(guān)設(shè)計(jì)

1.1 正交與中和線在MIMO 天線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

MIMO 技術(shù)通過(guò)在發(fā)送端和接收端使用多個(gè)天線單元，極大地提高信道容量和頻譜利用率，從而實(shí)現(xiàn)天線系統(tǒng)的高可靠性和有效性，是當(dāng)前5G 天線設(shè)計(jì)的熱門技術(shù)。 許多設(shè)計(jì)者在5G 智能終端的設(shè)計(jì)上對(duì)MIMO 技術(shù)的應(yīng)用做出嘗試，由于智能終端的小型化結(jié)構(gòu)，天線元件間距離過(guò)小容易導(dǎo)致耦合，使得天線的正交放置和中和線的應(yīng)用成為大多數(shù)研究人員最熱衷的方式。ABDULLAH M 提出的3.5 GHz 緊湊型四端口MIMO 天線系統(tǒng)就將兩個(gè)L 型單極輻射器彼此正交放置，很好地獲得了移動(dòng)手機(jī)天線結(jié)構(gòu)非接地部分邊緣的極化和圖形分集能力[3]；文獻(xiàn)[4]在相鄰兩個(gè)天線之間采用正交擺放的短T 型接地直接去耦。 如圖1 所示，這種短枝節(jié)實(shí)質(zhì)是寄生單極子單元，可以通過(guò)寄生耦合效應(yīng)抵消激勵(lì)的地板耦合電流。 同樣在之前所提到的四端口MIMO 天線系統(tǒng)中也采用了從地面延伸的寄生短路條紋，它可以有效降低L 型單極天線的諧振頻率。

圖1 采用寄生短路條紋去耦的天線陣列結(jié)構(gòu)俯視圖

中和線也是MIMO 技術(shù)中常用到的去耦技術(shù)。 它相當(dāng)于帶阻濾波器的替代，線的長(zhǎng)度指定其電感，寬度指定其電容，用來(lái)減少不同數(shù)量的天線元件之間的相互耦合。 在前文所提到的四端口MIMO 中，在天線激勵(lì)后，中和線上的電流和相鄰天線上的電流具有相同的幅度和180°的相位差，從而對(duì)天線間的耦合起到限制作用。 文獻(xiàn)[5]提出的具有機(jī)械可控主波束的5G 小型蜂窩高增益MIMO 偶極天線采用兩個(gè)彎曲的啞鈴形偶極子，它們以反對(duì)稱結(jié)構(gòu)排列。通過(guò)連接到寄生貼片兩個(gè)中心邊緣的一對(duì)條帶進(jìn)行優(yōu)化去耦，使用短截線實(shí)現(xiàn)了高隔離度。

1.2 采用多種饋電方式設(shè)計(jì)MIMO 天線

對(duì)一個(gè)天線系統(tǒng)采用不同種類的饋電方式往往能得到很好的效果。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)的高度集成的MIMO 單元采用了IEOMA 天線，該天線由一個(gè)差分模式天線和一個(gè)偶數(shù)模式天線組成，偶數(shù)模式天線是由微帶線饋電的印刷偶極子，而奇數(shù)模式的天線是由同軸電纜饋電的印刷偶極子。 偶極子在兩個(gè)端口饋入具有相等幅度和180°相位差的輸入信號(hào)，通過(guò)差分和偶數(shù)模式的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)較寬的覆蓋范圍。

1.3 雙頻及多頻MIMO 天線的設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)有區(qū)別于傳統(tǒng)微帶天線的雙面印刷天線，一般具有兩個(gè)不同的天線結(jié)構(gòu)，分別在介質(zhì)基板的兩個(gè)面上，再通過(guò)側(cè)框架與系統(tǒng)地平面正交以實(shí)現(xiàn)饋電。 通過(guò)這種方法，很容易實(shí)現(xiàn)雙頻乃至多頻。圖2 中雙頻MIMO 天線采用的就是這種設(shè)計(jì)方法，前輻射部分采用彎曲線單極，后輻射部分采用L 型短路截線， 它產(chǎn)生的耦合電容有助于匹配低頻帶的阻抗，使整個(gè)天線結(jié)構(gòu)能夠更好地覆蓋低頻部分， 并利用50 Ω同軸線對(duì)天線系統(tǒng)進(jìn)行饋電[7]；文獻(xiàn)[8]的八天線陣列也是采用類似的方式實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和雙頻段。

圖2 采用同軸線饋電的雙頻MIMO 天線透視圖

2 頻率可重置天線相關(guān)設(shè)計(jì)

2.1 頻率可重置天線簡(jiǎn)介

頻率可重構(gòu)天線通過(guò)加載一個(gè)或多個(gè)可控制器件改變天線的結(jié)構(gòu)，使天線的工作頻段在一定范圍內(nèi)重構(gòu)，而其他參數(shù)基本保持不變，同時(shí)使天線具有多頻段、超寬帶的性能，還能夠有效避免自身和外界帶來(lái)的電磁干擾，適應(yīng)新的環(huán)境，確保通信的總體穩(wěn)定性，因此近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)頻率可重置天線進(jìn)行了不少研究。

2.2 頻率可重置天線的應(yīng)用

由PANT A 設(shè)計(jì)的用于4G 和Pre-5G 技術(shù)的頻率可重配置移動(dòng)手機(jī)天線就是它的典型代表。天線采用放置在電路板頂角的兩個(gè)不對(duì)稱偶極輻射器，分別對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的工作頻率，兩個(gè)偶極輻射器通過(guò)微帶線饋電，該微帶線又在一端由SMA 同軸線饋電。 為了使天線可重新配置，采用了使用PIN 二極管的電子開(kāi)關(guān)技術(shù)，將兩個(gè)PIN 二極管通過(guò)微帶饋線連接在兩個(gè)偶極輻射器的饋電點(diǎn)上[9]。 同時(shí)，為了保持射頻電源和直流偏置之間的適當(dāng)隔離，板上還安裝了一些電感器和芯片電容器來(lái)充當(dāng)偏置網(wǎng)絡(luò)。 這樣，選擇性地控制在輻射器元件上的表面電流，就能使天線在兩個(gè)諧振模式之間調(diào)諧；文獻(xiàn)[10]提出的可重構(gòu)插槽天線采用兩個(gè)PIN 二極管用于實(shí)現(xiàn)天線的多頻帶， 分別設(shè)置在系統(tǒng)電路板上和折疊槽中，通過(guò)這兩個(gè)二極管的三種開(kāi)關(guān)組合方式實(shí)現(xiàn)三個(gè)不同的形式；文獻(xiàn)[2]中具有諧波抑制功能的雙極化頻率可重構(gòu)低剖面天線用一對(duì)±45°極化頻率可配置偶極天線，兩個(gè)帶有濾波分支的垂直放置的饋電結(jié)構(gòu)以及一個(gè)人工磁導(dǎo)體(AMC)表面。 通過(guò)引入U(xiǎn) 形結(jié)構(gòu)在兩個(gè)頻帶中實(shí)現(xiàn)更好的阻抗匹配性能。 通過(guò)控制PIN 二極管的開(kāi)關(guān)，使天線可以在不同頻段下工作，并且兩個(gè)頻帶的端口隔離度大于25 dB。此外，通過(guò)加載濾波分支能夠?qū)崿F(xiàn)兩倍頻程諧波抑制。

3 其他常見(jiàn)天線及相關(guān)設(shè)計(jì)

3.1 介質(zhì)諧振器天線

介質(zhì)諧振器是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型的諧振器，是一類用低損耗、高介電常數(shù)材料(如鈦酸鋇和二氧化鈦等)制成的諧振器，通常有矩形、圓柱形和圓環(huán)形。 介質(zhì)諧振器可看作兩端開(kāi)路的介質(zhì)波導(dǎo)，振蕩模式與介質(zhì)波導(dǎo)中的模式相對(duì)應(yīng)，有無(wú)窮多種。 介質(zhì)與空氣交界面呈開(kāi)路狀態(tài)，電磁波在介質(zhì)內(nèi)部反射能量，在介質(zhì)中形成諧振結(jié)構(gòu)。 高介電常數(shù)介質(zhì)能保證大部分場(chǎng)都在諧振器內(nèi)， 不易輻射或泄漏。 諧振頻率由振蕩模式、諧振器所用的材料及尺寸等因素決定。 文獻(xiàn)[11]提出的石墨烯薄膜微帶饋電矩形介質(zhì)諧振器天線就很好地運(yùn)用了這項(xiàng)技術(shù)，如圖3 所示，將矩形DRA 放置在介質(zhì)基板的偏移錐形微帶線上，改變其重合部分的寬度，共振頻率則隨之改變；文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)的雙頻矩形介質(zhì)諧振天線陣列采用兩個(gè)陶瓷DRA 和一個(gè)FR4 基板，通過(guò)帶有耦合槽的接地層以及微帶Wilkinson 功率分配器進(jìn)行饋電。 該設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的單個(gè)DRA 相比，陣列的增益可以得到一定幅度的提高， 天線方向性也會(huì)有所增強(qiáng)。

圖3 矩形介質(zhì)諧振器天線模型圖

3.2 縫隙天線

近年來(lái)，平板縫隙天線因其低剖面、可集成化、容易組陣等優(yōu)點(diǎn)，受到了人們廣泛關(guān)注與研究。 縫隙天線是在波導(dǎo)、金屬板、同軸線或諧振腔上開(kāi)縫隙，電磁波通過(guò)縫隙向外部空間輻射的天線。 其特點(diǎn)是重量輕，具有良好的平面結(jié)構(gòu)，易于與安裝物體共形。 縫隙陣列天線的口徑面幅度分布容易控制，口徑面利用率高，可以實(shí)現(xiàn)低副瓣或極低副瓣。同時(shí)，縫隙天線還具有結(jié)構(gòu)牢固、簡(jiǎn)單緊湊、易于加工、饋電方便、架設(shè)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。 由IOANNIS G 提出的超寬帶時(shí)隙天線設(shè)計(jì)就是一個(gè)典型例子[13]。 如圖4 所示，它采用共面波導(dǎo)CPW 饋電方式，天線的所有金屬部分都印刷在電介質(zhì)基板的同一側(cè)，與傳統(tǒng)的印刷和微帶天線相比，改變縫隙天線的操作特征的是槽的存在，其允許天線在天線平面的前面和后面的兩個(gè)半空間內(nèi)有效地輻射，以這種方式確保將接近全向輻射功率的輻射功率的分布，而高水平的增益和效率是通過(guò)對(duì)終端貼片和共面地平面之間產(chǎn)生的槽進(jìn)行適當(dāng)?shù)募y理化來(lái)實(shí)現(xiàn)的；文獻(xiàn)[14]提出的超寬帶8 端口MIMO 天線陣列采用接地平面上的U 型槽和開(kāi)放式短線組成金屬框架上的插槽；文獻(xiàn)[15]是在雙極化縫隙天線元件的配置一個(gè)由矩形微帶線饋電的緊湊型方環(huán)縫隙天線。 另外，在環(huán)形槽上采用了一對(duì)圓環(huán)/不規(guī)則末端的寄生結(jié)構(gòu)，以減小兩個(gè)微帶線饋電端口之間的相互耦合；由PARCHIN N O 提出的用于5G 智能手機(jī)應(yīng)用的使用小型化自互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的雙極化MIMO 天線陣列設(shè)計(jì)是采用瓣環(huán)貼片和位于基板頂層和底層的縫隙結(jié)構(gòu)，天線由兩個(gè)獨(dú)立的耦合饋電結(jié)構(gòu)饋電，該設(shè)計(jì)的饋電結(jié)構(gòu)連接到50 Ω 同軸探頭饋電的內(nèi)部導(dǎo)體，采用貼片輻射體的互補(bǔ)槽結(jié)構(gòu)， 不僅可以改善阻抗匹配， 還可以提供對(duì)稱的輻射圖來(lái)覆蓋PCB 的頂部和底部[16]。

圖4 采用CPW 饋電的縫隙天線透視圖

4 天線去耦合設(shè)計(jì)

4.1 天線去耦合簡(jiǎn)介

在5G 天線蓬勃發(fā)展的今天，更高的傳輸速率和更大的工作帶寬不可避免地導(dǎo)致天線陣列單元間的耦合，耦合過(guò)度對(duì)于天線系統(tǒng)的傳輸和接收效率會(huì)產(chǎn)生很大影響。 最近幾年天線解耦設(shè)計(jì)大概有如下幾種方案：采用中和線和去耦網(wǎng)絡(luò)，這些去耦網(wǎng)絡(luò)或中和線被設(shè)計(jì)在天線之間用來(lái)減少耦合；采用接地平面修改設(shè)計(jì)，通過(guò)在接地平面上切槽來(lái)實(shí)現(xiàn)高度隔離；采用基于特征模式的設(shè)計(jì)，例如采用正交輻射圖去實(shí)現(xiàn)隔離；采用基于寄生元素的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)由多個(gè)小金屬片組成的表面可以減少天線元件之間的相互耦合。

4.2 去耦合應(yīng)用

文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)的MIMO 系統(tǒng)貼片天線的增強(qiáng)匹配和無(wú)孔解耦是天線去耦合的一個(gè)成功應(yīng)用。所提出的多功能無(wú)孔結(jié)構(gòu)僅包括連接到饋電線的兩個(gè)狹窄的T 形樁，在它們之間安裝一個(gè)狹窄的矩形樁以及在接地平面上一個(gè)狹窄的矩形槽。該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單緊湊，相互耦合性低，成本低并且對(duì)輻射和共振沒(méi)有不利影響；文獻(xiàn)[18]提出的緊湊型超表面天線陣列去耦設(shè)計(jì)采用元表面天線陣列去耦(MAAD)的方法，以超覆蓋和超接地的形式分別將亞波長(zhǎng)諧振器放置在天線陣列的上方和下方，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整亞波長(zhǎng)諧振器的工作頻率，天線陣列與超表面之間的距離以及每個(gè)天線陣列元件的自匹配，可以顯著減少天線中各元件之間的相互耦合；文獻(xiàn)[1]提出的具有高隔離度和帶陷波特性的雙頻段雙極化堆疊式微帶天線不僅在兩個(gè)端口有很高的隔離度，還有可調(diào)節(jié)的帶隙特性。 天線元件由三層基板組成，印刷在第一層和第二層基板上的是兩個(gè)分開(kāi)的輻射結(jié)構(gòu)，第一層和第二層基板之間存在一定厚度的氣隙，由于有效電氣長(zhǎng)度的進(jìn)一步增加，有助于改善阻抗帶寬。 此外，通過(guò)調(diào)節(jié)間隙寬度，可以實(shí)現(xiàn)兩層基板之間的適當(dāng)耦合；文獻(xiàn)[19]利用分形解耦結(jié)構(gòu)增強(qiáng)寬帶車載天線陣列的隔離度將PIFA 天線元件面對(duì)面放置，去耦結(jié)構(gòu)(DS)由非分形單元槽組成，并在元件之間插入一條窄線槽以減少相互耦合。

5 帶寬拓展技術(shù)

5.1 帶寬拓展介紹

超寬帶(UWB)定向天線的特點(diǎn)是安全性高，效率高，發(fā)射功率低和數(shù)據(jù)速率高，它們還具有緊湊和低功耗的優(yōu)點(diǎn)，因此，人們對(duì)UWB 定向天線給予了更多關(guān)注。 這種天線在許多應(yīng)用中起著重要作用，例如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、軍事服務(wù)、無(wú)線人體局域網(wǎng)(WBAN)和微波成像，預(yù)計(jì)今后也會(huì)形成關(guān)于它的5G 系統(tǒng)。

5.2 帶寬拓展應(yīng)用

領(lǐng)結(jié)天線是一種平面天線，具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如體積小、重量輕、成本低、帶寬大以及全向輻射方向圖，是UWB 無(wú)線系統(tǒng)的理想選擇。 文獻(xiàn)[20]設(shè)計(jì)的基于帶寬增強(qiáng)共振的反射器的薄型寬帶單向天線就是采用的這種形式。 將平面蝴蝶結(jié)天線用作輻射元件，領(lǐng)結(jié)天線由兩個(gè)對(duì)稱的水滴形貼片組成，水滴形貼片的光滑結(jié)構(gòu)有助于平滑表面電流并確保良好的阻抗匹配。 圖5 中CHEN Y 提出的UWB 倒F 天線中，通過(guò)側(cè)向耦合饋入的倒F 天線會(huì)產(chǎn)生三種諧振模式，再適當(dāng)?shù)卣{(diào)整沿X軸方向的曲折饋電線的長(zhǎng)度，三個(gè)諧振點(diǎn)可以彼此靠近，從而獲得寬帶[21]。 由ZHAO A 等人設(shè)計(jì)的基于耦合環(huán)路天線的寬帶MIMO 系統(tǒng)采用的是耦合環(huán)路的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)支持環(huán)形天線的三種諧振模式，為了使工作頻段覆蓋高頻帶，在折疊天線的中心采用短截線使得第三種模式向第二種模式移動(dòng)，從而擴(kuò)展了帶寬[22]。

圖5 側(cè)向耦合的UWB 倒F 天線透視圖

6 結(jié)論

本文介紹了當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的幾種天線，如MIMO天線和頻率可重置天線，其中MIMO 天線由于高頻譜利用率和高可靠性成為熱門，但在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在天線單元間的耦合問(wèn)題，目前常采用寄生單極子單元提高隔離度，可同時(shí)也會(huì)對(duì)其他參數(shù)產(chǎn)生消極影響。因此，設(shè)計(jì)出一種新的去耦網(wǎng)絡(luò)，尤其是用于改善同一平面上天線結(jié)構(gòu)的隔離度是很有必要的。