一種可用于5G 移動終端的小尺寸MIMO 天線設(shè)計(jì)

唐曉菀

（興義民族師范學(xué)院，貴州興義，562400）

0 引言

隨著5G 技術(shù)的發(fā)展，移動通信系統(tǒng)的信息傳輸量非常龐大，并呈指數(shù)式增長趨勢。但是目前移動終端設(shè)備的通信系統(tǒng)及傳輸系統(tǒng)的技術(shù)卻稍顯落后，無法支持大信息量的需求。因此，大幅度提高手持移動終端設(shè)備天線的信道容量對5G 技術(shù)的近一步發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。多輸入多輸出技術(shù)通過增加信道數(shù)目，是實(shí)現(xiàn)移動通信超高容量的技術(shù)之一[1，2]。5G 頻段分為6GHz 以下波段及30GHz 以上波段。MIMO 技術(shù)利用大量的天線單元組成陣列系統(tǒng)可以在6G 以下的頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率。移動終端設(shè)備需要支持各種需求，集成了各種傳感器和天線系統(tǒng)，如重力傳感器、光線傳感器、加速度傳感器、藍(lán)牙天線、WIFI 天線等。將MIMO 技術(shù)應(yīng)用在手機(jī)天線中，的確可以提高信道容量，但當(dāng)集成四個、六個類似的天線單元時，手機(jī)的空間將會不足，且各種結(jié)構(gòu)中金屬的部分會對手機(jī)內(nèi)部集成的天線產(chǎn)生很大的信號干擾[3]。因此，在手機(jī)有限的空間中放置多單元天線模塊提高信息傳輸量并且使多個天線之間具有良好的隔離度和ECC 具有非常重要的研究意義。

近來年，對于如何提高手機(jī)等移動終端設(shè)備的MIMO天線陣列間的隔離度及縮小天線尺寸，已進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[4]提出一種新型自解耦天線對結(jié)構(gòu)，通過把天線設(shè)置在手機(jī)設(shè)備的側(cè)立面來提高天線間的隔離度。然而該結(jié)構(gòu)無法用于金屬邊框手機(jī)設(shè)備中，且手機(jī)側(cè)立面的介質(zhì)基板寬達(dá)10mm，這并不符合消費(fèi)者對于手機(jī)外觀的追求。文獻(xiàn)[5]提出一種緊湊型高隔離度雙頻 MIMO 天線的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)通過嵌入六邊形諧振環(huán)實(shí)現(xiàn)雙頻，減少了天線個數(shù)，同時通過刻蝕矩形縫隙去除耦合效應(yīng)。但是整個結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工實(shí)現(xiàn)難度大，難以應(yīng)用于已經(jīng)安裝了多天線結(jié)構(gòu)的手機(jī)設(shè)備中。

本文提出一種將兩個天線單元完全重疊放置，縮減天線尺寸的方法。兩單元模塊由一個縫隙天線和一個環(huán)形天線組合，重疊放置后共享一個矩形凈空區(qū)域。在多單元模塊中通過刻蝕矩形縫隙，使得相鄰天線間的隔離度高于17.4dB。結(jié)果表明，采用兩單元天線重合放置和缺陷地方法結(jié)合，不需要增加去耦結(jié)構(gòu)就可實(shí)現(xiàn)高隔離度。

1 兩單元小尺寸MIMO 天線設(shè)計(jì)

■1.1 MIMO 技術(shù)

在無線通信系統(tǒng)中，在發(fā)射和接收端使用多個天線即被稱為多輸入多輸出技術(shù)。分析MIMO 技術(shù)主要為了研究MIMO 信道容量和包絡(luò)相關(guān)性。

多輸入多輸出通信理論基于矩陣原理，即信道矩陣H[6]。圖1 為MIMO 信道框圖。

圖1 MIMO 信道框圖

H 中包含各種環(huán)境因素，包括散射、遮擋和衍射等。多天線發(fā)射端和接收端的每種組合都有自己的傳遞函數(shù)hmn，這類似單輸入單輸出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)[7]。這就構(gòu)成了信道矩陣：

根據(jù)信道矩陣和已經(jīng)定義的噪聲ρT可以快速確定最大信道容量C。

I表示單位矩陣，nT表示發(fā)射天線的個數(shù)，符號“+”表示共軛轉(zhuǎn)置。

相關(guān)系數(shù)(ρ)是衡量通信信道之間的隔離程度或相關(guān)情況的一種參數(shù)。天線在工作時會產(chǎn)生輻射方向圖，而多個天線共同工作時的輻射方向圖會發(fā)生相互影響，ρ的平方被即為包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(ρc)。在各向同性的傳播環(huán)境中，ECC 可以用遠(yuǎn)場方向圖來進(jìn)行計(jì)算：

上式中，? 為立體角，F(xiàn)i(θ,?)和Fj(θ,?)分別為第i個和第j 個天線單獨(dú)饋電，其他端口接匹配負(fù)載時的三維遠(yuǎn)場輻射方向圖?？梢钥闯觯噍斎攵噍敵鎏炀€系統(tǒng)中可以隔離度和降低包絡(luò)相關(guān)性，來降低信號衰減階數(shù)[8]。

■1.2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的小尺寸天線結(jié)構(gòu)如圖2 所示，選用相對介電常數(shù)為4.4 的FR4 基板，長、寬、厚度分別為145mm、75mm、0.8mm。金屬地板印刷在基板上表面?；宓淖笥覂刹糠至舫隽?0mm 的凈空區(qū)，用于放置手機(jī)的其他天線，如4G 天線等。

圖2 重疊兩單元模塊結(jié)構(gòu)圖

圖2 中紅色虛線框是兩單元模塊重合放置的結(jié)構(gòu)示意圖，從示意圖可以看出兩單元天線由一個L 型微帶天線、一個開口縫隙組成。其中開口縫隙中是環(huán)狀天線（小紅色矩形塊）及9.1nH 的芯片電感（藍(lán)色矩形塊）構(gòu)成，L 型微帶天線印刷在介質(zhì)板的背面，垂直段尺寸為8mm×1.5mm，水平段尺寸為5mm×0.4mm。小尺寸兩單元矩陣模塊寬度僅有1mm，長度為28.5mm。兩天線單元共享一塊矩形凈空區(qū)域，通過改變電感的取值可以改善環(huán)狀天線的阻抗匹配。

通過仿真軟件對兩單元模塊進(jìn)行仿真測試，圖3 中S11、S22 曲線分別是兩單元模塊中環(huán)天線、微帶電線的諧振頻率的仿真視圖。可以看出兩單元天線模塊在頻段3.4～3.6GHz 具有良好的阻抗特性，天線間的隔離度高于18dB。該天線模式滿足MIMO 天線端口隔離度大于15dB的要求，并且長度尺寸縮減量大于50%。

圖3 仿真S 參數(shù)曲線

■1.3 去耦原理

由縫隙天線和L 型微帶天線組成的兩單元模塊，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上重疊并且共享凈空區(qū)域，所以大大縮小了天線的尺寸。我們進(jìn)一步分析該模塊具有高隔離度的原因。

手機(jī)等移動終端設(shè)備內(nèi)部集成多個任務(wù)功能，為了保證其天線能夠進(jìn)行全天候工作，往往設(shè)置凈空區(qū)域。縫隙的尺寸大小影響縫隙天線的諧振頻率，對于環(huán)狀天線的影響微弱。因此凈空區(qū)域的長度對天線模塊的影響，主要關(guān)注縫隙天線的諧振變化。通過不斷的實(shí)驗(yàn)得出，凈空區(qū)域的長度取28.5mm 時，天線間的阻抗匹配特性良好。

當(dāng)圖1 中環(huán)天線(Ant1)饋電時，其饋電電流方向呈平行于地板長邊方向分布。當(dāng)圖1 縫隙天線(Ant2)饋電時，其饋電電流方向呈垂直于地板長邊方向分布。因此Ant1 和Ant2 饋電時，感應(yīng)出的地板電流方向上是相互垂直的，因此有效減小了來自地板電流上的耦合。

2 四單元天線陣列設(shè)計(jì)

5G 移動終端設(shè)備通常采用增加天線數(shù)量來提高信道容量，基于上文提到的重疊兩單元模塊設(shè)計(jì)出一款四單元天線陣列。圖4 為四單元MIMO 陣列天線結(jié)構(gòu)圖，4 單元天線模塊放置在同一側(cè)，由兩個相同的重疊兩單元模塊構(gòu)成。金屬地板長度為125mm，凈空區(qū)域長28.5mm，凈空區(qū)域與金屬地板邊界還需留出間隙，取5mm，那么兩個相同模塊間的間距d 為58mm。

圖4 四單元MIMO 陣列天線結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)的四單元MIMO 天線陣列的反射系數(shù)和傳輸系數(shù)如圖5 所示。從數(shù)據(jù)結(jié)果得出，在3.4～3.6GHz 頻段，所有單元的反射系數(shù)都小于6dB，但是由于不同模塊間有耦合效應(yīng)，天線1 和天線3 之間的隔離度小于15dB，這不能滿足MIMO 陣列天線的設(shè)計(jì)要求。

圖5 四單元MIMO 陣列天線仿真S 圖

天線饋電時會在金屬地板上形成饋電電流，當(dāng)多個天線饋電時，地板上的饋電電流會發(fā)生干擾[6]。本文設(shè)計(jì)一種缺陷地結(jié)構(gòu)，在金屬地板上刻蝕一條長度為λ/4 矩形槽，刻蝕的矩形槽改變了電流的路徑從而抑制了天線間的互耦效應(yīng)。具體的結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 四單元MIMO 陣列天線缺陷結(jié)構(gòu)圖

對所設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真測試，結(jié)果表明，本文提出的方案在隔離度、反射系數(shù)和 ECC 方面擁有優(yōu)勢。如圖7所示，天線1 與天線2 的隔離度為16.2dB，天線1 與天線3的隔離度提升到17.4dB。完全符合MIMO 陣列天線設(shè)計(jì)要求。

圖7 四單元MIMO 陣列天線缺陷結(jié)構(gòu)的仿真S 參數(shù)

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了應(yīng)用于 MIMO 終端的小尺寸天線陣列陣。通過將環(huán)形天線與微帶天線疊加來縮減天線尺寸，為了提高天線間的隔離度，研究了地板開槽對天線間互耦效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)地板端口間的耦合電流得到抑制，在整個帶寬內(nèi)端口隔離度都得到了提高，有利于天線應(yīng)用到 MIMO 移動終端設(shè)備。