雙頻手機(jī)天線設(shè)計(jì)

孫嘉騫，秦裕航

（中國(guó)兵器裝備集團(tuán)自動(dòng)化研究所有限公司，四川 綿陽(yáng) 621000）

0 引 言

4G 網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)造了繁榮的網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)，由于通信業(yè)務(wù)的多元化和復(fù)雜化，人們追求網(wǎng)絡(luò)事物多樣性的需求也日益增長(zhǎng)，第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G）應(yīng)運(yùn)而生，它能夠?qū)崿F(xiàn)人與人、人與物、物與物之間的互聯(lián)互通，VR、自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程手術(shù)等具有巨大前景的技術(shù)也在5G 時(shí)代誕生并發(fā)展著。

5G 具有超大的帶寬、巨大的傳輸速率，5G 時(shí)代的到來(lái)也促進(jìn)著MIMO 技術(shù)的發(fā)展，但是其代價(jià)是增加了收發(fā)方的天線復(fù)雜度，使得天線設(shè)計(jì)必須考慮各個(gè)天線的互相影響，這對(duì)天線工程師來(lái)說(shuō)是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

近年來(lái)，5G 技術(shù)越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界和行業(yè)領(lǐng)域的關(guān)注。作為5G 無(wú)線通信的關(guān)鍵技術(shù)，大規(guī)模的MIMO 可以極大地提高信道容量。因此，如何將越來(lái)越多的元件放置在有限的空間中是天線設(shè)計(jì)者面臨的一個(gè)難題。

當(dāng)各個(gè)天線單元之間的距離較小時(shí)，天線之間的耦合度會(huì)很大，對(duì)天線性能影響十分嚴(yán)重。因此，如何提高各個(gè)天線間的耦合度成為MIMO 天線設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)。為了解決這一問(wèn)題，通常采取以下3 種方法：（1）將天線進(jìn)行彎折，改變電流的路徑，降低天線的諧振頻率，這種方法也存在一定缺陷，改變電流的流向會(huì)導(dǎo)致方向圖產(chǎn)生變異。（2）提高板載天線介質(zhì)板的介電常數(shù)能夠增加隔離度，但是對(duì)于手機(jī)天線設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，一般使用FR4 介質(zhì)板，由于使用場(chǎng)景的限制，這種方法的可行性不是很高。（3）利用耦合饋電使天線增加分布式電容，使天線激勵(lì)起比較低的輻射模式，但是這種方法的困難點(diǎn)是饋電位置的選擇。

1976 年，Andersen 等人[1]從阻抗的方向出發(fā)，研究了天線耦合的問(wèn)題，并將單極子天線作為例證。Kokkinos團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了利用地板縫隙對(duì)port PIFA 天線的去耦[2]。Ban 等人[3]結(jié)合3.5 GHz 天線特點(diǎn)，利用中和線實(shí)現(xiàn)二單元4G MIMO 天線的去耦設(shè)計(jì)，其中的混合天線由GSM850/900/180/1800/1900/UMTS2100/LTE2300/2500和8個(gè)工作于3 400 ～3 600 MHz 頻段上的元件組成。還有一些其他的技術(shù)獲得了良好的性能，如Li 等人[4]提出的八元件天線設(shè)計(jì)，利用耦合饋電元件和單極子槽元件之間的雙極化輻射，獲得了超過(guò)12.5 dB 的良好隔離度，天線在2 550 ～2 650 MHz 頻段上工作，包絡(luò)相關(guān)系數(shù)小于0.15，在工作頻帶上的信道容量約為38 ～40 b/s/Hz。文獻(xiàn)[5-9]中針對(duì)特定頻段提出5G 多天線陣列，例如在文獻(xiàn)[8]中，工作頻段為2.4 GHz；在文獻(xiàn)[5]中，天線結(jié)構(gòu)在2.6 GHz 頻段下工作，應(yīng)用于MIMO 技術(shù)；在文獻(xiàn)[9]中，3.5 GHz 的多天線系統(tǒng)使用了開(kāi)放式縫隙天線。從已有文獻(xiàn)[9-17]來(lái)看，用于MIMO 的多天線結(jié)構(gòu)在幾何形狀和尺寸上有所不同，并且大多支持選擇性頻帶。

1 天線設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1.1 天線基本類型

在手機(jī)移動(dòng)終端所使用的天線大致包括：偶極子天線、單極子天線、IF 天線。下面將對(duì)這3 種天線類型作簡(jiǎn)要介紹。

偶極子天線是最基礎(chǔ)的天線之一。如圖1 所示，中間為饋點(diǎn)，兩條長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)的直導(dǎo)線分別位于饋點(diǎn)兩側(cè)對(duì)稱放置，它的直徑遠(yuǎn)小于其工作波長(zhǎng)。

圖1 偶極子天線

單極子天線是在偶極子天線的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而來(lái)的，如圖2 所示，單極子天線一端在地面饋點(diǎn)，因?yàn)榈匕宓拇嬖诤顽R像定理，地板下方也相當(dāng)于存在長(zhǎng)度為四分之一工作波長(zhǎng)的直導(dǎo)線。單極子天線與偶極子天線工作方式相似，但是單極子天線所占用空間較小，輻射功率也較小。因此單極子天線的應(yīng)用范圍更加廣泛[18]。

圖2 單極子天線

倒F 天線的衍變過(guò)程如圖3 所示。倒F 天線是由單極子天線改進(jìn)而來(lái)的，單極子天線使用的是直導(dǎo)線，雖然相較于偶極子天線來(lái)說(shuō)，單極子天線所占空間有所減小，但是對(duì)于特定環(huán)境下的天線設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，單極子天線所占用的空間還是太大了，于是我們將單極子天線進(jìn)行彎折操作即形成了倒L天線。在倒L 天線的彎折處增加一個(gè)枝節(jié)接地，這樣就形成了倒F 天線[19]。倒F 天線應(yīng)用十分廣泛，在移動(dòng)終端設(shè)備的天線設(shè)計(jì)中也常常以倒F 天線為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3 倒F 天線的衍變過(guò)程

1.2 天線基本參數(shù)

天線基本參數(shù)主要有天線的方向性/方向圖、帶寬、效率、MIMO 天線的隔離度等。

（1）天線的方向性是指向某一方向接收或發(fā)射信號(hào)能力的大小。若天線在一特定方向上方向性較大，則表示該天線在這一方向上接收或發(fā)射信號(hào)的能力較強(qiáng)，反之亦然。

（2）天線帶寬是指天線所能夠發(fā)射或接收信號(hào)的頻率范圍，一般用天線的回波損耗來(lái)描述天線的帶寬，回波損耗為-10 dB 時(shí)，天線發(fā)射或接收頻率范圍即為天線帶寬。

（3）天線效率是指天線輻射功率與輸入功率的比值，計(jì)算公式為：天線效率η=輸出功率/輸入功率。

（4）MIMO 天線的隔離度是衡量MIMO 天線特有的參數(shù)，若天線間耦合度過(guò)大（隔離度過(guò)小），就會(huì)導(dǎo)致天線的性能很差。天線耦合度通常用Sij（i≠j）來(lái)表示，對(duì)于手機(jī)天線設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，天線隔離度|Sij（i≠j）|>10 dB 即可。

2 雙頻單元天線設(shè)計(jì)

本章設(shè)計(jì)了一款雙頻倒F 天線，它是由單頻倒F 天線改進(jìn)而來(lái)，在單頻倒F 天線枝節(jié)上方增加一個(gè)枝節(jié)實(shí)現(xiàn)天線的雙頻段工作，將上方枝節(jié)進(jìn)行彎折來(lái)實(shí)現(xiàn)小型化。最終，它能夠工作在2.4 ～2.6 GHz 和3.4 ～3.6 GHz 頻段范圍內(nèi)，并且擁有較高的增益和天線效率。

2.1 天線基本結(jié)構(gòu)

雙頻天線單元如圖4 所示，其中A 為饋點(diǎn)，產(chǎn)生激勵(lì)；B 為接地點(diǎn)，與介質(zhì)板背面的地面連接。L1=10.7 mm，L2=13.6 mm，L3=10.8 mm，H1=6.8 mm，H2=3 mm，H3=1.7 mm，W=0.8 mm，D=3.2 mm。天線單元為IFA，一共有2 個(gè)枝節(jié)，通過(guò)將枝節(jié)彎折來(lái)縮小天線所占的面積。

圖4 雙頻天線

2.2 單元天線設(shè)計(jì)與原理分析

雙枝節(jié)IFA 天線由傳統(tǒng)的IFA 天線改進(jìn)而來(lái)。傳統(tǒng)IFA天線只能工作在一個(gè)頻段，在許多移動(dòng)終端設(shè)備中都有所應(yīng)用，它的枝節(jié)長(zhǎng)度大約為工作波長(zhǎng)的四分之一。為了使IFA能夠工作在兩個(gè)頻段且所占面積較小，做以下設(shè)計(jì)：首先設(shè)計(jì)一個(gè)能夠工作在3.4 ～3.6 GHz 頻段的單頻IFA 天線，如圖5 所示。由于IFA 枝節(jié)長(zhǎng)度約為其工作波長(zhǎng)的四分之一，要想使其工作在3.4 ～3.6 GHz 頻段，其枝節(jié)長(zhǎng)度應(yīng)為22 mm。該天線的回波損耗如圖6 所示，其工作在3.5 GHz 頻段。

圖5 單頻IFA 天線

圖6 IFA 的回波損耗

本文通過(guò)增加枝節(jié)的方式使傳統(tǒng)倒F 天線能夠雙頻工作，如圖7 所示。增加枝節(jié)相當(dāng)于增加了一條電流的通路，枝節(jié)的長(zhǎng)度與所需工作頻率有關(guān)。通過(guò)在高頻枝節(jié)上方增加一條枝節(jié)使其既能在高頻段工作，也能夠在低頻段工作。在上方添加的枝節(jié)并不是直的，而是一種彎曲結(jié)構(gòu)，這樣做的目的是減小天線所占面積，對(duì)降低天線間的耦合度也有一定好處。該天線最終能夠工作在2.4 ～2.6 GHz 和3.4 ～3.6 GHz 頻段，天線回波損耗如圖8 所示。

圖7 雙頻IFA 天線

圖8 雙頻IFA 回波損耗

雙頻IFA 天線的方向圖如圖9 所示，天線最大增益為6.2 dB。如圖10 所示，當(dāng)天線工作頻率為2.5 GHz 時(shí)，它的效率約為94%；當(dāng)它的工作頻率為3.5 GHz 時(shí)，它的效率大約為83%。這表明該天線具有良好的輻射特性。

圖9 雙頻IFA 天線的方向圖

圖10 雙頻IFA 天線的天線效率

為了研究天線的工作原理，從而進(jìn)一步分析各個(gè)枝節(jié)尺寸對(duì)天線不同頻段的影響，對(duì)天線L1枝節(jié)和L2枝節(jié)的不同長(zhǎng)度進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖11 所示。高頻部分主要由圖4中天線的L1枝節(jié)控制，低頻部分主要由L2枝節(jié)控制。當(dāng)增加L1的長(zhǎng)度時(shí)，該單元天線高頻向低頻靠攏，而低頻部分變化不大。當(dāng)縮短L2的長(zhǎng)度時(shí)，該天線的低頻向高頻靠攏，而高頻部分變化不大。由此可以得出，L1枝節(jié)對(duì)高頻影響較大，L2枝節(jié)對(duì)低頻影響較大。為后續(xù)八單元天線頻率的調(diào)整做了前期準(zhǔn)備。

圖11 調(diào)整枝節(jié)長(zhǎng)度對(duì)S11 的影響

3 雙頻MIMO 天線設(shè)計(jì)

本章設(shè)計(jì)了雙頻八單元MIMO 天線，該天線主要工作頻段為2.4 ～2.6 GHz 和3.4 ～3.6 GHz，能夠覆蓋4G 和5G主要頻段。單元天線為IFA 結(jié)構(gòu)，是通過(guò)對(duì)倒F 天線改進(jìn)而來(lái)的。普通倒F 天線只能工作在單一頻段，本章通過(guò)增加枝節(jié)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)天線的多頻工作。八個(gè)天線分布在地板的上下左右側(cè)，每側(cè)各兩個(gè)天線。一些天線間的間距比較大，隔離度自然較大，無(wú)須調(diào)整；但是有些天線距離較近，隔離度較低。本章通過(guò)對(duì)地板開(kāi)槽的方式提高隔離度，最終使各天線的隔離度能夠大于10 dB。本文對(duì)八單元天線的效率進(jìn)行了優(yōu)化及仿真，該天線效率在58.5%～81%之間，說(shuō)明該天線具有良好的輻射特性。

3.1 雙頻雙單元MIMO 天線設(shè)計(jì)

雙頻雙單元MIMO 天線整體結(jié)構(gòu)如圖12 所示，兩個(gè)天線對(duì)稱放置于地板上側(cè)，天線1 和天線2 的回波損耗如圖13 所示，可知該MIMO 天線在2.4 ～2.6 GHz 和3.4 ～3.6 GHz 上均滿足回波損耗小于-6 dB。天線1 和天線2 的隔離度如圖14 所示，在所需頻率范圍內(nèi)，兩天線之間的隔離度大于10 dB，具有良好的輻射性能。天線方向圖如圖15 所示，最大天線增益為6.3 dB，天線增益良好；同時(shí)可以看出該天線向下輻射信號(hào)能力較強(qiáng)。如圖16 所示，該天線工作在2.5 GHz 時(shí)效率大約為92%，它工作在3.5 GHz 時(shí)效率大約為82%，天線具有良好的輻射特性。

圖12 雙頻雙單元MIMO 天線

圖13 雙頻雙單元MIMO天線的回波損耗

圖14 雙頻雙單元MIMO 天線的隔離度

圖15 雙頻雙單元MIMO 天線的方向圖

圖16 雙頻雙單元MIMO 天線的效率

當(dāng)兩天線接地點(diǎn)距離為33 mm 時(shí)，它們之間的隔離度良好；當(dāng)兩天線距離逐漸靠近時(shí)，它們之間的隔離度逐漸減小。如圖17 所示，當(dāng)兩天線距離為9 mm 左右時(shí)，接近隔離度最低要求10 dB。

圖17 減小天線距離后兩天線隔離度

3.2 雙頻四單元MIMO 天線設(shè)計(jì)

雙頻四單元MIMO 天線整體結(jié)構(gòu)如圖18 所示，地板上方有兩個(gè)天線對(duì)稱放置，地板下方有兩個(gè)天線對(duì)稱放置。各個(gè)天線的回波損耗如圖19 所示，可以看出，四個(gè)天線都能在2.4 ～2.6 GHz 和3.4 ～3.6 GHz 兩個(gè)頻段上正常工作。各天線隔離度都大于10 dB，如圖20所示。由于天線間距離較大，地板耦合電流衰減較快，所以各天線間耦合度滿足基本要求。天線方向圖如圖21 所示，最大天線增益為6.1 dB，天線增益良好；同時(shí)可以看出，該天線向下輻射信號(hào)能力比向上輻射信號(hào)能力強(qiáng)。天線效率如圖22 所示，當(dāng)它工作在2.5 GHz時(shí)天線效率約為93.5%，當(dāng)它工作在3.5 GHz 時(shí)天線效率約為75%，該天線具有良好的輻射特性。

圖19 雙頻四單元MIMO天線的回波損耗

圖20 雙頻四單元MIMO 天線的隔離度

圖21 雙頻四單元MIMO 天線的方向圖

圖22 雙頻四單元MIMO 天線的效率

當(dāng)上側(cè)和下側(cè)放置兩天線間距為33 mm 時(shí)，隔離度良好。如圖23 所示，當(dāng)逐漸減小上側(cè)兩天線間距和下側(cè)兩天線間距后，天線隔離度逐漸減小。當(dāng)兩天線接地點(diǎn)距離為13 mm 時(shí)，S12和S34基本重合且在低頻附近為10 dB，接近于臨界值。減小上側(cè)兩天線間距和下側(cè)兩天線間距后，對(duì)S13、S23、S14、S24的影響較小，仍然滿足隔離度大于10 dB的要求。

圖23 減小上下側(cè)兩天線間距后的隔離度

3.3 雙頻八單元MIMO 天線設(shè)計(jì)

基于四單元天線設(shè)計(jì)，本文進(jìn)一步研究了雙頻八單元MIMO 天線設(shè)計(jì)方法。如圖24 所示，雙頻八單元MIMO 天線上下左右側(cè)各放置2 個(gè)天線單元，并在地板上開(kāi)4 個(gè)L 型槽來(lái)增大天線1 和天線6、天線2 和天線7、天線4 和天線8、天線3 和天線5 間的隔離度。

圖24 雙頻八單元MIMO 天線

如圖25 所示，通過(guò)對(duì)單元天線枝節(jié)長(zhǎng)度的微調(diào)，使各個(gè)天線的回波損耗基本能夠覆蓋2.4 ～2.6 GHz 和3.4 ～3.6GHz兩個(gè)頻段，滿足覆蓋4G頻段和5G頻段的要求。

圖25 雙頻八單元MIMO 天線的回波損耗

未開(kāi)L 型槽時(shí)，由于天線1 和天線6、天線2 和天線7、天線4 和天線8、天線3 和天線5 之間的間距較小，導(dǎo)致它們之間的耦合度過(guò)大，如圖26 所示，天線間隔離度小于10 dB，天線性能較差。天線5、天線6、天線7、天線8之間的間距較大，如圖27 所示，它們之間的隔離度均大于10 dB。通過(guò)在地板開(kāi)L 型槽，阻斷地板耦合電流來(lái)增大其隔離度，最終各天線間隔離度均大于10 dB，符合手機(jī)天線設(shè)計(jì)的基本要求。

圖26 未開(kāi)槽時(shí)各天線間的隔離度

圖27 開(kāi)槽后各天線間的隔離度

L 型開(kāi)槽如圖28 所示，L 型開(kāi)槽的長(zhǎng)邊為16 mm，短邊為8 mm，寬為1 mm。4 個(gè)地板槽大小相同，上下左右四槽關(guān)于地板中心對(duì)稱。該開(kāi)槽方案在對(duì)地板整體性能影響很小的情況下，使天線間的隔離度增大了2 ～3 dB。

圖28 L 型開(kāi)槽

如圖29 所示，若將地板開(kāi)槽的L 型長(zhǎng)邊及短邊的長(zhǎng)度各減小一半，所得隔離度如圖30 所示，天線5 與天線7、天線6 與天線8、天線4 與天線、天線2 與天線7、天線1 與天線6、天線1 與天線5 之間的隔離度都有所下降。對(duì)比可知，天線開(kāi)槽尺寸過(guò)小不能阻斷地板耦合電流，對(duì)耦合度的影響較小。

圖29 減小L 型開(kāi)槽后的尺寸

圖30 減小L 型開(kāi)槽尺寸后的隔離度

天線方向圖如圖31 所示，最大天線增益為3.1 dB。

圖31 雙頻八單元MIMO 天線的方向圖

如圖32 所示，天線工作效率在58.5%～81%之間。天線效率均大于50%，其輻射性能較好。

圖32 雙頻八單元MIMO 天線的效率

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)單元天線，天線結(jié)構(gòu)為雙枝節(jié)IFA，通過(guò)較短的枝節(jié)產(chǎn)生高頻輻射，通過(guò)較長(zhǎng)的枝節(jié)產(chǎn)生低頻輻射。該天線能夠工作在2.4 ～2.6 GHz 和3.4 ～3.6 GHz 頻段，單元天線最大增益為6.3 dB，當(dāng)它工作在2.5 GHz 時(shí)天線效率約為94%，當(dāng)它工作在3.5 GHz 時(shí)天線效率大約為83%。雙頻雙天線是通過(guò)將兩個(gè)單元天線對(duì)稱放置于地板上側(cè)而形成的MIMO 結(jié)構(gòu)。雙頻雙天線最大增益為6.3 dB，該天線工作在2.5 GHz 時(shí)效率大約為92%，當(dāng)它工作在3.5 GHz 時(shí)效率大約為82%。由于雙天線間隔距離較大，所以它們之間的耦合度較小，基本滿足設(shè)計(jì)要求。雙頻四單元天線的各個(gè)天線單元分布在地板上下兩側(cè)，每側(cè)各兩個(gè)天線并呈對(duì)稱分布。該天線最大增益為6.1 dB，當(dāng)它工作在2.5 GHz 時(shí)天線效率約為93.5%，當(dāng)它工作在3.5 GHz 時(shí)天線效率約為75%。由于各個(gè)天線之間距離較大，它們擁有較好的隔離度。雙頻八單元天線的8 個(gè)天線分別位于地板上下左右側(cè)，通過(guò)開(kāi)L 型地板槽的方式降低各天線間的耦合度，與未開(kāi)槽時(shí)天線隔離度相比，該天線隔離度增加2 ～3 dB，同時(shí)對(duì)開(kāi)槽尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終選取長(zhǎng)邊為16 mm、短邊為8 mm 的L 型開(kāi)槽。最終利用全波仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真，隔離度效果優(yōu)于10 dB，效率在58.5%～81%之間，天線最大增益為3.1 dB，具有較好的輻射特性。

本文通過(guò)在地板開(kāi)L 型槽，利用缺陷地板結(jié)構(gòu)阻斷耦合電流來(lái)提高各個(gè)天線間的隔離度。相較其他去耦方式，該方式操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。最終使天線間的隔離度大于10 dB，使它們的回波損耗基本能夠覆蓋2.4 ～2.6 GHz 和3.4 ～3.6 GHz 頻段。后續(xù)還需進(jìn)一步研究如何不改變地板結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)去耦，如何對(duì)4G 和5G 全部頻段進(jìn)行覆蓋，以及如何在較小的空間內(nèi)使MIMO 天線的隔離度足夠大，這也是現(xiàn)在天線設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)之一。