一種新型雙頻寬帶八單元5G手機(jī)天線設(shè)計(jì)

穆偉東, 楊 明, 王仲根, 李明忠 , 王 攀, 張家正

1.安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001 2.皖西學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，安徽 六安 237012

1 引 言

相比4G通信系統(tǒng)，5G通信系統(tǒng)具有更高的數(shù)據(jù)傳輸率，更低的延遲和低功耗等優(yōu)點(diǎn)。由于多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)技術(shù)可以傳輸龐大的數(shù)據(jù)流[1]，有效提高頻譜利用率和信道容量[2]，因此被廣泛應(yīng)用于5G通信。2017年11月，中國工業(yè)和信息化部宣布劃定3.3～3.6 GHz和4.8～5.0 GHz頻段作為5G移動(dòng)通信頻段。所以為了滿足5G通信標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)一款能覆蓋3.5 GHz和4.9 GHz的雙頻段MIMO天線顯得尤為重要。

近年來，應(yīng)用于5G通信的天線設(shè)計(jì)被眾多學(xué)者相繼提出。文獻(xiàn)[3]給出一種用于WRC 5G C波段(3.4～3.6 GHz)MIMO接入點(diǎn)的跨槽天線，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且輻射單元距離地面較高。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)的單極子天線和接地寄生線一起拓展了帶寬，能覆蓋5G的N77頻段(3.3～4.2 GHz)，短截線的加入使天線結(jié)構(gòu)固然顯得新穎，但是天線單元數(shù)量仍有待增加。文獻(xiàn)[5-6]提出的5G天線模塊均由金屬條和金屬板開槽組成，結(jié)構(gòu)較為簡單，但只能覆蓋3.4～3.6 GHz，存在頻段單一的不足。為了實(shí)現(xiàn)天線單元之間的高隔離度，各種去耦技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生，如使用不同的饋電結(jié)構(gòu)[7]、添加新的耦合路徑[8-9]、在天線單元之間使用中和線[10-11]、有缺陷的接地結(jié)構(gòu)[12-14]以及極化分集[15]等。上述天線雖然有效地解決了隔離度的問題，但是還存在頻帶單一或結(jié)構(gòu)復(fù)雜等方面的缺點(diǎn)。

采用金屬板開槽的方法，設(shè)計(jì)了一款八單元、雙頻段的MIMO天線，天線由左右對稱的8個(gè)U型單元(Ant1至Ant8)組成。天線由50 Ω同軸線從底部饋電，用于激勵(lì)兩臂的天線貼片覆蓋5G的3.3～3.6 GHz和4.8～5.0 GHz雙頻段。天線單元通過在基板底部開槽的方式，通過改變電流的路徑，一方面實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)頻率的覆蓋，另一方面有效地遏制了電流傳輸，提高了天線單元之間的隔離度，而不需要額外的去耦結(jié)構(gòu)。通過三維電磁仿真軟件HFSS優(yōu)化和實(shí)測，得出天線可覆蓋目標(biāo)頻段，各端口之間隔離度優(yōu)于13.6 dB，包絡(luò)相關(guān)系數(shù)小于0.08。與傳統(tǒng)天線相比，設(shè)計(jì)的天線具有結(jié)構(gòu)簡單、頻帶寬、隔離度好的優(yōu)點(diǎn)。

2 MIMO天線設(shè)計(jì)與分析

2.1 天線結(jié)構(gòu)與單元設(shè)計(jì)

圖1(a)為設(shè)計(jì)的雙頻段八單元MIMO天線系統(tǒng)透視圖,圖1(b)為單元詳細(xì)結(jié)構(gòu)與尺寸(以Ant1為例)。天線地板尺寸為150 mm×75 mm，介質(zhì)基板選用厚度為0.4 mm的FR4材質(zhì)(相對介電常數(shù)εr=4.4，介質(zhì)損耗正切角tanθ=0.02)。相比于其他天線[16-17]，天線厚度更薄，適用于現(xiàn)在流行的5.7英寸的智能手機(jī)。每個(gè)天線單元通過中間的饋點(diǎn)饋電，被分為兩條L型的金屬諧振枝條。L1長度為3.6 mm，L2長度為1.8 mm，分別激發(fā)3.5 GHz和4.9 GHz兩種諧振模式。

(a) 八單元MIMO天線系統(tǒng)透視圖

2.2 天線結(jié)構(gòu)分析

在所提出的天線結(jié)構(gòu)中，加載在基板表面的“U”型單元用于產(chǎn)生諧振模式，從而起到向外輻射能量的作用。為了使提出的天線單元能覆蓋目標(biāo)頻段，在基板底部的金屬板上又刻蝕了若干的矩形槽。為了更加清楚地了解刻蝕矩形槽的作用，圖2給出了在同一天線單元下(以Ant1為例)，有無刻蝕槽的S參數(shù)。從圖2可以看出，在無槽的情況下，天線單元在3～5.5 GHz時(shí)，無諧振模式的產(chǎn)生，阻抗匹配性能表現(xiàn)極差。相反，通過在金屬板(地板)上挖槽，從而改變金屬板上的電流分布，單元的阻抗匹配性能發(fā)生了很大程度上的改變，在3.5 GHz和4.9 GHz產(chǎn)生諧振，且諧振模式相對獨(dú)立，阻抗匹配性能良好。

圖2 有無槽時(shí)的S參數(shù)Fig.2 S-parameter with or without slots

刻蝕的槽1和槽2分別刻蝕在3.5 GHz和4.9 GHz輻射單元下，使兩種輻射模式相對獨(dú)立。槽1與槽2對天線單元性能有著重要的作用，槽1的和槽2的寬度又是影響天線單元反射系數(shù)的重要參數(shù)。以下主要對槽1寬度S1和槽2寬度S2兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析。圖3和圖4分別是對S1和S2參數(shù)掃描后的S參數(shù)曲線圖。從圖3可以看出，S1對低頻段和高頻段的S參數(shù)都有影響。隨著S1參數(shù)的增大，低頻段的諧振頻率向左移，但S參數(shù)的最值相差不大，而高頻段的阻抗匹配性能在逐漸變好，也就是帶寬在增加。由于S1在2.2 mm時(shí)，能完整覆蓋3.3～3.6 GHz和4.8～5.0 GHz，故優(yōu)化后選取此值。另一方面，從圖4可以看出，此時(shí)兩種諧振模式相對獨(dú)立，S2對高頻段有影響，而基本上對低頻段無影響。當(dāng)S2參數(shù)由2.2 mm增加至2.4 mm時(shí)，低頻段保持原先的S參數(shù)，高頻段的諧振頻率向左偏移，S參數(shù)僅發(fā)生微小的改變，這是由于此時(shí)槽1的電流基本上沿基板一側(cè)分布，高頻段受來自槽1的電流影響很小。綜合分析，選取S2=2.3 mm為優(yōu)化后的參數(shù)值。

圖3 S1對S參數(shù)的影響Fig.3 Effect of S1 on S parameter

圖4 S2對S參數(shù)的影響Fig.4 Effect of S2 on S parameter

3 結(jié)果分析

制作出的MIMO天線系統(tǒng)實(shí)物如圖5所示。借助電磁仿真軟件ANSYS Electronics Desktop2018.2，對系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了仿真，同時(shí)借助矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對其S參數(shù)進(jìn)行了測試。其相關(guān)的遠(yuǎn)場結(jié)果在微波暗室中測量完成。

圖5 八單元MIMO天線系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.5 Physical images of eight-element MIMO antenna system

3.1 性能分析

圖6給出了天線單元仿真和測試的反射系數(shù)。由于鏡像對稱的天線具有相同的S參數(shù)，所以只展示Ant1/2/3/4的結(jié)果。測試結(jié)果表明：在目標(biāo)頻段內(nèi)，Ant1/2/3/4的反射系數(shù)Sii(i=1，2，3，4)均在-6 dB以下，尤其在4.8～5.0 GHz范圍內(nèi)，S參數(shù)小于-10 dB，實(shí)現(xiàn)了良好的阻抗匹配。如圖7所示，傳輸系數(shù)均在-13.6 dB以下，說明各端口之間實(shí)現(xiàn)了良好的隔離度。Ant1至Ant4仿真得到的輻射效率如圖8所示，從結(jié)果可以看出，天線效率均在67%以上，具有良好的復(fù)用性能。

圖6 天線單元反射系數(shù)Fig.6 Reflection cofficients of antenna element

圖7 天線單元傳輸系數(shù)Fig.7 Transmission coefficients of antenna element

圖8 輻射效率Fig.8 Radiation effcicency

包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(ECC)是MIMO天線性能的重要參數(shù)之一。圖9為仿真計(jì)算得到的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)。從圖9可以看出，在目標(biāo)頻段內(nèi)，天線單元間的ECC最大值低于0.08，符合5G MIMO的操作標(biāo)準(zhǔn)(ECC<0.5)[18]?？梢?，設(shè)計(jì)的天線表現(xiàn)出了優(yōu)良的空間分集特性。

圖9 包絡(luò)相關(guān)系數(shù)Fig.9 Envelope correlation coefficients

圖10和圖11分別給出了在諧振模式下Ant1～Ant4的輻射方向圖，從輻射結(jié)果可以看出，在3.5 GHz和4.9 GHz下，Ant1～Ant4的E-plane(xoz面)輻射形狀大致相似，變化平緩，最大峰值出現(xiàn)在270 °附近。而Ant1～Ant4的H-plane(yoz面)輻射方向圖各有差異，但可基本實(shí)現(xiàn)全向輻射。由于天線對稱排列，對稱單元輻射方向互補(bǔ)，所設(shè)計(jì)的天線具有良好的方向性和極化特性，能滿足通信要求。

(a) Ant1

(a) Ant1 (b) Ant2

3.2 單手操作模式性能分析

給出了常見的單手操作模式對天線的性能影響分析。單手操作模式如圖12所示，圖13給出了反射系數(shù)和傳輸系數(shù)的仿真結(jié)果。如圖13(a)所示，較未接觸時(shí)的情形而言，一些手指接觸的天線單元(Ant1，Ant2，Ant5)，其諧振頻率發(fā)生了左移，且它們的反射系數(shù)發(fā)生了惡化，帶寬也變窄了一些，但仍然可以覆蓋目標(biāo)頻段，未被接觸的天線單元仍保持良好的阻抗匹配性能。如圖13(b)所示，由于人體組織的干預(yù)，天線單元之間的傳輸系數(shù)較未接觸時(shí)減小了些，說明隔離度有所提高。同時(shí)，由于人體組織能吸收一定能量的電磁波，所以對各單元效率的影響往往會(huì)更加突出。圖14給出了在單手持手機(jī)時(shí)，天線單元輻射效率的仿真結(jié)果。從圖14可以看出，由于Ant1，Ant2和Ant5被拇指或手掌接觸，它們的效率平均下降了約30%，最高頻率也只在54%左右。其他天線單元的效率也下降了約10%，即使這樣，也能滿足5G的通信需求。綜合分析，該MMO天線在單手操作模式下依然可以保持良好工作性能，具有較高的抗干擾能力。

圖12 單手操作模式Fig.12 Single-handed operation mode

(a) 單手操作模式反射系數(shù)

圖14 單手操作模式天線輻射效率

3.3 性能對比

為了進(jìn)一步闡明提出的MIMO天線系統(tǒng)的特點(diǎn)，表1將所提出的MIMO天線系統(tǒng)與部分已提出的天線系統(tǒng)進(jìn)行性能對比。從表1可以看出:提出的天線在帶寬，隔離度上有優(yōu)勢，在效率和ECC參數(shù)上也表現(xiàn)良好。設(shè)計(jì)的MIMO天線系統(tǒng)將會(huì)是應(yīng)用于5G通信的良好參照物。

表1 天線性能比較

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種用于5G智能手機(jī)的八單元、雙頻段MIMO天線。通過金屬板開槽的方法，覆蓋了5G的3.3～3.6 GHz和4.8～5.0 GHz兩個(gè)頻段，不需要其他額外的去耦結(jié)構(gòu)就可實(shí)現(xiàn)單元間的隔離度優(yōu)于13.6 dB，包絡(luò)相關(guān)系數(shù)低于0.08，同時(shí)天線輻射效率在67%附近。測試結(jié)果表明，天線具有體積小、隔離度高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足5G手機(jī)天線通信的需求。