周凱，王睿喬，趙志恒

1. 哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

2. 中國科學院光電研究院，北京 100004

隨著無線電技術的快速更新和發(fā)展，人們對其中的無線電天線技術要求也愈來愈高。MIMO 技術作為未來無線電技術的發(fā)展方向，以其能夠充分利用空間資源、通過多個天線單元實現多發(fā)多收、在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下可以大幅度提高系統(tǒng)信道容量，而為業(yè)界所重視[1-3]。

但在實際應用中，還有一些問題亟待解決。其中，一個重要環(huán)節(jié)就是無線設備內部天線設計尺寸的小型化問題。無線設備尺寸的小型化是未來工業(yè)設計的基本要求，更多的設計都是在極小空間中來完成。因此，無線電天線尺寸只有盡可能縮小，方能跟上元器件發(fā)展的步伐。但是，尺寸的小型化絕不意味著功能的弱化，而是既要滿足設備的小型化，又要滿足設備的功能性，真正做到小而強。解決這個問題要從新材料和天線結構上找到突破口。

復合陶瓷材料在改變天線輻射上有過很多的應用，大多數在GPS 天線和WLAN 天線上進行工程應用[4-7]。例如用陶瓷材料RO4360 設計GPS 天線，讓GPS 天線具有更寬的頻帶和更小的尺寸，用RO4003 設計WLAN 天線高頻板，減少WLAN天線環(huán)路。但是陶瓷材料在手機天線、寬帶天線和小尺寸天線設計中應用較少。本文提出雙頻帶MIMO 天線的構想。該天線以復合陶瓷材料為基礎輻射單元介質的小型饋電手機天線，沒有集總元件。該天線的優(yōu)點在于具有多頻段和寬帶特性。因為在設計上最大限度地減少了天線環(huán)路的數量，所以提供更多帶寬；并且具有較小的天線體積，在PCB 板上的占用率較低，改變了電流分布區(qū)域并改善天線之間的耦合相關性。該天線頻段能夠覆蓋GSM900、DCS1800、PCS1900 和LTE1900等頻段，適合多頻段移動通信網絡的應用。

1 天線結構設計

1.1 輻射單元結構的設計

手機天線介質基板材料選擇FR-4 環(huán)氧玻璃纖維板，其介電常數為4.4，介質板的大小為110 mm×55 mm×1.5 mm。天線輻射單元印刷時選擇復合陶瓷材料作為天線輻射單元載體的材料，其相對介電常數為6.45，損耗角正切為0.001 1[8]，載體的尺寸為32.5 mm×15 mm×2.8 mm。圖1 為移動手機陶瓷天線設計結構圖。

圖1 手機陶瓷天線的設計結構

其中天線結構尺寸為L=32.5 mm、L1=15 mm、W=17 mm、W2=9.5 mm、W3=12.5 mm、W4=9.5 mm、W5=6 mm、W6=4 mm、W7=22.5 mm、W8=1.5 mm、W9=0.5 mm、W10=9 mm、H=3 mm、H1=1.5 mm、H2=2.8 mm。其中仿真薄片的厚度為0.2 mm，單極子結構的寬度均為1.5 mm。通過50 Ω 微帶線饋電給底部印刷的單極子結構，單極子結構、陶瓷結構和折疊部分構成諧振環(huán)路結構。與大多數MIMO 手機天線不同，該MIMO 天線設計的PCB在電路系統(tǒng)布局更加靈活實用，2 個天線輻射單元在設計過程中選擇中心原點對稱，饋電線連接到PCB 接地與天線金屬貼片之間，可以有效地減少手機天線空間的使用。復合陶瓷材料的介電常數大于FR4 環(huán)氧玻璃纖維介質基板的介電常數，L 型金屬單極子長度為22.5 mm，并且在其結構基礎上新添加分支結構，旁邊的分支結構使其在0.87 GHz 處產生了新的諧振。陶瓷結構外圍為該天線設計的金屬折疊型結構，折疊型結構不僅能夠節(jié)省天線輻射單元的占用空間，而且還能有效提高天線的帶寬。陶瓷介質部分可以選用在PCB 板直接電印刷，電印刷好后的PCB 板和折疊型結構進行組合加工。也可以采用激光直接成型技術來實現，因此該天線在制作工藝上具有更高的靈活性[9]。

1.2 MIMO 天線結構的設計

MIMO 天線系統(tǒng)性能的優(yōu)劣主要是由天線單元的數量、天線的擺放方式、天線的單元間距和相互之間的耦合等因素決定，隨著天線數量的增加，MIMO 系統(tǒng)不用增加放射功率和帶寬便可提高系統(tǒng)信道的容量。但是MIMO 天線與傳統(tǒng)的單天線的性能指標略有差別，需要考察其耦合系數和相關性系數等指標[10-13]。因此在設計時要考慮到天線輻射單元結構之間的相關特性，例如端口參數S21和包絡相關系數（envelop correlation coefficient，ECC）等參數。

2 天線輻射單元仿真

在手機天線的設計中，分為有源測試參數和無源測試參數。無源測試指標包括頻率、方向圖、天線輻射效率、電流分布等，有源測試指標包括天線輻射總功率（total radiated power，TRP）和天線接收靈敏度（total isotropic sensitivity，TIS）等，這些都是衡量手機天線的重要指標。在MIMO 天線設計當中，考慮仿真得到天線每個輻射單元的參數指標是十分必要的，當MIMO 天線輻射單元具有良好的輻射特性時，MIMO 天線整體的輻射特性才能有所提高。如果輻射天線單元設計有誤，則會對天線的電磁兼容特性產生影響。

天線設計要求覆蓋的主要頻段包括GSM850、GSM900、DCS1800、PCS1900 和LTE1900 等。本文設計的天線結構通過Ansoft HFSS 電磁仿真軟件進行仿真，圖2 為仿真得到每個輻射單元的回波損耗。

圖2 輻射單元回波損耗

圖2 展示了有陶瓷結構介質、沒有陶瓷結構介質的情況下不同回波損耗參數的結果，從端口S參數來分析S11參數，一般以回波損耗|S11|＞10 dB為參考標準，根據圖2 和表1 的數據顯示，設計的新型陶瓷結構天線具有良好的雙頻段特性。低頻段在0.85～1.17 GHz，高頻段在1.65～2.18 GHz，其覆蓋了GSM900、DCS1800、PCS1900 和LTE1900等頻段。沒有陶瓷介質結構的輻射單元的諧振頻段為1.98～2.84 GHz，輻射單元尺寸為35 mm×19 mm×3 mm。沒有陶瓷介質的天線諧振頻段是1.03～1.25 GHz 和1.50～2.19 GHz。相比于沒有陶瓷介質結構的天線，本文設計的陶瓷天線具有小型化的優(yōu)點，在結構優(yōu)化上能夠減小23.5%的實際空間尺寸。

表1 不同材料和尺寸的電路諧振頻段和相對帶寬

表1 是根據圖2 仿真數據分析得到的電路諧振頻段和相對帶寬，通過回波損耗得到天線傳輸頻段。該表格列出3 種不同情況下天線結構、材料、尺寸、諧振頻段和相對帶寬等參數。

為了更好地了解天線的工作模式，本文選擇電流密度分布來進行分析。圖3 顯示了陶瓷天線單個結構不同頻率的電流密度分布，選擇4 個相關頻率來進行仿真觀察。

圖3 不同頻率電流密度分布

從部分單獨單天線結構分析，其中最長外圍天線結構長度為50.5 mm，主要輻射頻段為頻率較高的頻段。根據圖3（a）、（b）可以觀察低頻帶GSM900（855～954 MHz）的電流分布。天線電流頻段在0.89 GHz 處時，電流從輸入端流向單極子天線結構和折疊型結構。電流頻率在0.93 GHz時，折疊結構電流密度降低，單極子分支結構的電流密度有所減弱；當頻率電流為1.80 GHz 時，折疊結構和單極子天線結構電流密度比低頻處的電流密度要高出許多；電流頻率增至1.94 GHz時，單極子結構和折疊結構的電流密度有所加強，天線在高頻處輻射較強。根據電流密度仿真圖可知，在電路諧振高頻處頻率主要受到單極子、分支結構和折疊結構（L、W6和H）的影響，而在低頻處只受到單極子W2、W3影響。手機天線相對于其他半導體天線，要求全向性，并且留出一定空間凈空，尤其是手機天線的全向性是非常重要的。圖4 顯示天線輻射單元的仿真xoy、yoz和xoz平面方向圖。

圖4 輻射單元平面方向圖

從仿真結構看，新設計出的陶瓷天線輻射單元分別在xoz面和yoz面輻射后瓣較小，輻射特性良好。在xoy面上，天線方向圖沒有發(fā)生畸變，天線輻射特性良好。滿足單元天線設計需求。

3 MIMO 手機天線仿真

MIMO 天線有諸多優(yōu)點，但是在實際設計中卻有很多工程問題需要解決。例如天線輻射單元間相互耦合、輻射單元和射頻電路之間相互耦合等問題。其中，S21和ECC 是衡量MIMO 天線耦合隔離度的重要參考指標。S21是插入損耗，S21越大表明端口傳送效率越高。但是在手機天線設計中，S21越大，天線輻射單元之間會產生耦合，影響天線的輻射效率；因此在設計MIMO 手機天線時，一般要求隔離度|S21|＞10 dB 才能滿足低耦合的要求。圖5 是MIMO 天線輻射單元接口的S21參數，其中在最小點|S21|＞23 dB，滿足射頻電路和輻射單元之間耦合隔離度的要求。

圖5 參數S21 曲線

ECC 代表不同的天線單元間接收信號幅度之間的相關性，是衡量MIMO 多天線系統(tǒng)分集性能和耦合性能的重要指標。對于MIMO 手機天線，要求ECC 在天線低頻段處要小于0.5，在高頻段處要小于0.4。該值越小代表的分集增益越大。近幾年來出現了很多種計算相關系數的方法，很多學者利用天線電路中所測得的S參數來計算其ECC 值：

式中：Eij代表天線i和天線j的包絡相關系數；Sii和Sjj為天線的回波損耗；Sij和Sji為天線不同端口的插入損耗。圖6 為包絡相關系數圖，其中具有陶瓷介質的天線在0.75～1.2 GHz 頻段的包絡相關系數低于0.45，在1.75～2.2 GHz 頻段的包絡相關系數低于0.4，滿足MIMO 手機天線隔離相關度的要求。沒有陶瓷結構的手機天線在1.75～2.9 GHz頻段的包絡相關系數低于0.5，有陶瓷結構天線相比于沒有陶瓷結構的天線在耦合隔離度上具有更優(yōu)越的性能。

手機天線的全向輻射特性在手機設計中非常重要。圖7 為MIMO 天線的平面方向增益圖。其中xoy、yoz和xoz面都具有良好的全向性輻射特性，滿足手機天線設計需求。該天線在0.89 GHz頻段和0.93 GHz 頻段的輻射特性相對于1.80 GHz頻段和1.94 GH 頻段要低。

圖6 包絡相關系數

圖7 MIMO 天線輻射平面增益

4 實物加工測試

在實物天線加工過程中，國內大部分天線供應商都采用電印刷的方式。為了節(jié)約成本，本實驗采用組合加工的方式，天線底部PCB 板選擇用電印刷方式進行加工，陶瓷載體和折疊型結構應用Ausbond 電膠進行組合加工。因此在整體工藝上，會出現部分誤差。圖8 為天線制作實物圖。

圖8 天線實物加工圖

測量天線網絡端口參數S11和S21時，選用安捷倫E5063A 網絡分析儀進行頻段測試，在測試過程中分別對無源參數回波損耗（S11）和插入損耗（S21）進行測量。圖9 顯示了網絡分析儀測量回波損耗（S11）參數后頻段和仿真頻段的對比，圖10 顯示測試的插入損耗（S21）的測量數值。由于真實加工環(huán)境是組合加工，在對折疊型結構和陶瓷結構進行加工整合過程中會出現誤差，因此會對最終測量結果產生影響?？赡軐е骂l段與仿真結果產生了小幅度的偏差。

圖9 回波損耗S11 測量值

圖10 插入損耗S21 測量值

根據實際測量結果，S11參數在高頻處頻率部分偏移，其帶寬變化不大；S21參數滿足|S21|＞10 dB的要求。同時，通過測試得到的S11和S21參數，根據式（1）得到包絡相關系數，并且與仿真數據進行比對，如圖11 所示。從圖11 可以看出，實際測量計算后的相關包絡參數應用頻段上整體小于0.5。在設計上驗證了MIMO 天線隔離度的要求。

圖11 包絡相關系數

天線通過暗室測量天線方向圖。圖12、13 為天線在0.89 GHz 和1.8 GHz 處的xoy、yoz和xoz平面實測天線方向圖。從實際測量的方向圖看出，0.89 GHz 下的xoy面方向圖與仿真圖出現了稍微的偏差。因為新型陶瓷載體天線組合加工等問題，所以可能會影響到天線的輻射特性。

從測量方向圖上可以看出新設計的手機陶瓷天線整體的輻射特性沒有太大的波動，整體保持平穩(wěn)。天線保持一個良好的全向輻射特性，基本滿足天線全向性的一個要求。

圖12 0.89 GHz 平面方向圖

圖13 1.8 GHz 平面方向圖

手機天線無源參數測試中，輻射效率是衡量天線設計的一個重要指標，圖14 顯示了天線總輻射效率，根據天線的總輻射效率可以進一步分析天線的輻射特性。

圖14 天線總輻射效率

由于在測量過程中會有饋線損耗和半封閉金屬外殼等因素的影響，輻射效率維持在20%～40%。0.89～0.97 GHz 頻段的天線輻射效率為21.3%～28.3%，1.71～2.20 GHz 頻段的天線的輻射效率為24.3%～35.2%，天線留出凈空區(qū)的條件下，滿足天線的輻射效率要求。

手機天線OTA（over the air）測試能更好地衡量手機天線性能，其中最重要的2 個有源參數指標是總輻射功率和接收靈敏度。但是總接收靈敏度和總輻射功率一般用在整機測試中，因此本文主要以無源測試指標為主。

5 結論

本文提出了一種復合陶瓷結構MIMO 天線。天線覆蓋多個頻段，應用陶瓷結構和折疊型結構，有效地減少了天線尺寸和移動手機天線帶寬展寬問題。

1）天線輻射單元具有全向特性，并且滿足天線耦合隔離度的設計需求。

2）由于在半封閉金屬外殼環(huán)境下，天線輻射效率在20%～40%，基本滿足要求。

3）在拓寬帶寬和減小天線尺寸的問題上，是否有更合適的材料是未來移動手機天線設計的一個課題。本文設計的天線可給天線設計研發(fā)者一定的設計參考。