王 飛，程鉍峪,2

1.安徽郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)系,合肥 230031；2.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，南京,210044

單極子天線、平面倒F天線以及倒L天線因其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，易于制作而廣泛應(yīng)用于2G/3G移動(dòng)用戶手持終端中。其中，文獻(xiàn)[1]中提出基于手持終端天線模型的設(shè)計(jì)理念，最后運(yùn)用該設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)了三種立體三維結(jié)構(gòu)的折疊單極子天線。近期，工業(yè)和信息化部發(fā)布了關(guān)于第五代移動(dòng)通信(5G)頻譜的意見[2]，隨著LTE以及5G通信的不斷建設(shè)與發(fā)展，MIMO技術(shù)將顯得尤為重要。該技術(shù)作為現(xiàn)代無線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過增加發(fā)射天線以及接收天線的數(shù)量可以改善通信質(zhì)量以及提高信道容量而不需要額外的提高發(fā)射天線發(fā)射功率或者增加頻譜帶寬。但隨著天線數(shù)量增加，天線單元與單元之間將會(huì)變得越來越緊湊，這將導(dǎo)致天線之間的隔離度變差，因此如何改善天線單元間的隔離度使其隔離度高于10 dB已成為MIMO天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的一個(gè)新挑戰(zhàn)[3]。文獻(xiàn)[3]中，通過在天線單元之間使用中和線的方法來提高隔離度。文獻(xiàn)[4-5]中，通過在兩天線單元之間的地板上開槽，其中開槽長度約為半個(gè)波長，來改善隔離效果。文獻(xiàn)[6]中，在天線單元間放置一塊矩形金屬貼片，通過在貼片上產(chǎn)生的電流路徑來提高天線間的隔離度。

相比于文獻(xiàn)[7-8]所設(shè)計(jì)的MIMO天線系統(tǒng)，本文根據(jù)工信部最新發(fā)布的5G頻譜的意見[2]，提出了一種四單元MIMO天線系統(tǒng)。該天線具有300 MHz(3 300～3 600 MHz)的-10 dB標(biāo)準(zhǔn)下的阻抗帶寬，可以覆蓋LTE band 42(3 400～3 600 MHz)以及5G通信系統(tǒng)(3 300～3 600 MHz)頻譜，單元尺寸僅為5 mm×5 mm×3mm，同時(shí)該天線的隔離度、相關(guān)系數(shù)、增益、輻射效率等參數(shù)表明其可以較好地應(yīng)用于當(dāng)前的無線通信系統(tǒng)。

1 天線設(shè)計(jì)

該MIMO天線系統(tǒng)采用相對(duì)介電常數(shù)為4.4，電損耗正切為0.02的FR4介質(zhì)基板?；宓恼w尺寸為136 mm×68.8 mm×1 mm。圖1(a)所示為MIMO天線系統(tǒng)整體示意圖，介質(zhì)基板的四個(gè)頂角分別放置著尺寸為5 mm×5 mm×3 mm的四個(gè)尺寸與結(jié)構(gòu)完全相同的立體倒F天線分別折疊在四個(gè)FR4支撐體上。圖1(b)所示為倒F天線折疊在立方體的FR4支撐上(為了突出天線結(jié)構(gòu)，立方體支撐在圖中已隱藏)，為了改善天線的阻抗匹配性能，在天線的地平面中除去了一塊梯形區(qū)域，起到了改善匹配的效果。其中天線單元的饋電端口在高頻結(jié)構(gòu)仿真器中(HFSS Ver.15)設(shè)置成矩形區(qū)域，其寬度為1 mm，高度為介質(zhì)基板的厚度，即為1 mm，并通過傳輸線連接至折疊倒F天線單元上。

為了獲得覆蓋LTE 3400及5G通信且超過300 MHz的-10dB標(biāo)準(zhǔn)下的阻抗帶寬，本文所設(shè)計(jì)的立體倒F天線具有兩條電流路徑，分別為如圖1(b)中的立方體介質(zhì)支撐的上部頂端的L形路徑以及立方體介質(zhì)支撐的左側(cè)，后側(cè)以及右側(cè)枝條相連接所構(gòu)成的L形路徑。該天線單元兩條路徑的電尺寸約為諧振頻點(diǎn)處3 400 MHz的四分之一介質(zhì)波長的長度，因此該天線利用兩條電流路徑來擴(kuò)展帶寬。

為了獲取設(shè)計(jì)頻段處天線的電長度，可以通過以下2個(gè)公式計(jì)算：

(1)

(2)

式中εr為FR4介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)，εeff為FR4材料與空氣材料均勻混合以后材料的有效介電常數(shù)。經(jīng)過公式計(jì)算，兩條L形路徑長度約為3 400 MHz頻點(diǎn)處四分之一介質(zhì)波長的長度。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示，用1#天線單元舉例說明天線單元的諧振點(diǎn)分別隨著兩條路徑長短的改變而變化。其中圖2(a)為第一條L形路徑的參數(shù)分析，其中掃描參數(shù)長度設(shè)為L1；圖2(b)為第二條L形路徑的參數(shù)分析，其中掃描參數(shù)設(shè)為L2；通過參數(shù)掃描分析表明：天線諧振點(diǎn)會(huì)隨著第一條路徑的增長而往低頻移動(dòng)，同樣天線諧振點(diǎn)也會(huì)隨著第二條路徑的增長而往低頻移動(dòng)。

圖2 L1及L2對(duì)天線諧振點(diǎn)的分析

對(duì)1#天線表面電流進(jìn)行分析，圖3所示為1#天線在3 400 MHz時(shí)候的表面電流分布。進(jìn)一步驗(yàn)證得出該天線的電流路徑1以及電流路徑2的電長度約為四分之一個(gè)介質(zhì)波長的長度，兩條電流路徑共同作用較好地改善了阻抗匹配。

圖3 天線在3 400 MHz處表面電流分布

2 仿真與討論

圖4 天線單元S參數(shù)(HFSS)

所設(shè)計(jì)的四單元MIMO手持終端天線，分別通過高頻結(jié)構(gòu)仿真器(HFSS Ver.15)以及CST微波工作室(CST MWS Ver.2015)進(jìn)行仿真分析。圖4為通過HFSS仿真分析的該系統(tǒng)各天線單元的S參數(shù)曲線，分別為S11～S44，四條曲線接近重合，圖5為通過CST仿真分析的該系統(tǒng)各天線單元的S參數(shù)曲線，同樣為S11～S44，由于MIMO系統(tǒng)各天線單元結(jié)構(gòu)相同，因此，由CST仿真分析得到的S11～S44四條曲線重合于一條曲線中。分析表明該天線在-10 dB標(biāo)準(zhǔn)的阻抗帶寬下具有超過300 MHz的帶寬，可以覆蓋LTE系統(tǒng)band 42(3 400～3 600 MHz)以及工信部近期提出5G通信的3 300～3 600 MHz頻段。

圖6所示為天線單元之間的隔離度，可知該MIMO天線系統(tǒng)在沒有引入任何去耦結(jié)構(gòu)的情況下具有較高的隔離度。

圖5 天線單元S參數(shù)(CST) 圖6 MIMO天線系統(tǒng)單元間隔離度

根據(jù)文獻(xiàn)[9]中公式即可從已知的單元間S參數(shù)來計(jì)算出天線單元間的相關(guān)系數(shù)。

圖7即根據(jù)公式所得出的該MIMO天線系統(tǒng)單元間的相關(guān)系數(shù)，可知在覆蓋頻段內(nèi)該系統(tǒng)的相關(guān)系數(shù)小于0.3。

圖7 MIMO天線系統(tǒng)單元間相關(guān)系數(shù)

圖8 天線單元增益

該天線系統(tǒng)采用四個(gè)尺寸與結(jié)構(gòu)完全相同的天線單元，且關(guān)于xz與yz平面對(duì)稱，因此圖8給出了1#天線單元以及2#天線單元的增益曲線，圖9給出了1#天線單元以及2#天線單元的輻射效率曲線。圖8所示，1#天線單元增益范圍為3.10～3.23 dBi，在3.52 GHz頻點(diǎn)處達(dá)到最大值；2#天線增益范圍為3.12～3.26 dBi，在3.53 GHz頻點(diǎn)處達(dá)到最大值。圖9所示，在整個(gè)覆蓋頻帶內(nèi)天線具有較高的輻射效率，天線最大輻射效率可以達(dá)到80%以上。

圖9 天線單元輻射效率

圖10所示為天線單元在3 400 MHz處xoz、yoz面方向圖，其中圖10(a)為1#天線單元方向圖，圖10(b)為2#天線單元方向圖。

最后為了驗(yàn)證該天線系統(tǒng)的實(shí)用性以及可實(shí)現(xiàn)性，將機(jī)身外殼也考慮在內(nèi)，如圖11所示，將該MIMO天線系統(tǒng)放置于1 mm厚度的塑料手機(jī)外殼中進(jìn)行分析[10]，其中手機(jī)外殼的相對(duì)介電常數(shù)為3.3，電損耗正切為0.02。圖12(a)為連同手機(jī)外殼仿真后的覆蓋結(jié)果，此時(shí)天線覆蓋頻段為3 150～3 500MHz，但仍然可以保持300 MHz以上的頻譜帶寬。因此，MIMO天線系統(tǒng)在后期實(shí)際生產(chǎn)加工中增加的附加組件例如手機(jī)外殼時(shí)，覆蓋頻段出現(xiàn)了往低頻偏移的情況，對(duì)于這種情況依舊可以采取參數(shù)優(yōu)化的方法，使其覆蓋目標(biāo)頻段。如圖12(b)所示，對(duì)兩條L形路徑的參數(shù)L1以及L2參數(shù)優(yōu)化，當(dāng)L1為1 mm，L2為3 mm時(shí)，連同手機(jī)外殼仿真其覆蓋頻段可以覆蓋3 300～3 600 MHz。通過該項(xiàng)分析表明該MIMO天線系統(tǒng)具有很好的實(shí)用性以及可實(shí)現(xiàn)性。

圖10 天線在3.4 GHz的輻射方向圖

圖11 天線系統(tǒng)與手機(jī)外殼示意圖

圖12 實(shí)用性以及可實(shí)現(xiàn)性分析

3 結(jié) 論

MIMO系統(tǒng)具有在不增加信道帶寬以及發(fā)射機(jī)發(fā)射功率的前提下顯著提高系統(tǒng)容量的優(yōu)點(diǎn)，因此MIMO技術(shù)將會(huì)成為4G/5G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文就此提出一種應(yīng)用于LTE 3400以及5G通信的四單元MIMO手持終端天線系統(tǒng)。該MIMO天線系統(tǒng)具有尺寸小、覆蓋頻段寬、增益較高以及良好的輻射效率，同時(shí)經(jīng)過分析表明該系統(tǒng)具有很好的實(shí)用性及可實(shí)現(xiàn)性。因此，該MIMO天線系統(tǒng)在LTE以及5G通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。