安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 張家正 尤寶林 王小虎 李 健

5G的迅速發(fā)展使得手機(jī)的5G通信需求上升，5G手機(jī)的銷售量和5G相關(guān)的應(yīng)用在爆發(fā)式增長，在無線通信中，要實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與電磁波相互轉(zhuǎn)換的功能，就離不開天線。所以本文設(shè)計(jì)一款適用于手機(jī)5G通信需求的天線，在迎合了手機(jī)尺寸越做越小的大前提下，也能帶來通信方面的性能需求。

第五代移動(dòng)通信（Fifth－generation，5G）已全面進(jìn)入商業(yè)化，以成倍提升的數(shù)據(jù)傳輸速率和零時(shí)延的用戶體驗(yàn)滿足了人們對(duì)通信速度與效率的需求。因此，小型化、多頻段、超寬帶天線的設(shè)計(jì)對(duì)于移動(dòng)設(shè)備的發(fā)展有著重要的意義。目前5G通信方面存在的問題是傳輸短，繞射差，天氣因素影響大各種缺點(diǎn)，在這里MIMO技術(shù)的引用十分有必要。根據(jù)現(xiàn)有關(guān)于MIMO技術(shù)有關(guān)研究的應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)了一種5G的MIMO技術(shù)的手機(jī)天線，在小型化的前提條件下實(shí)現(xiàn)了5G頻段的覆蓋，所以這款天線不僅有效的增加信道的傳輸容量，還有有效的壓縮了手機(jī)內(nèi)部天線的空間，滿足了現(xiàn)行的通信環(huán)境需要天線實(shí)現(xiàn)的更高頻率，和更寬頻寬的要求。但是最近幾年，手機(jī)的設(shè)計(jì)逐漸偏向于金屬的加持，受到了消費(fèi)者的喜愛。雖然機(jī)身加固了，卻導(dǎo)致天線的性能受到了很大的影響。因此需要對(duì)天線進(jìn)行新的設(shè)計(jì)，這里本文提出了一種基于金屬外殼的雙頻段5G手機(jī)天線的設(shè)計(jì)方案。采用了多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)金屬外殼結(jié)構(gòu)手機(jī)天線的5G頻段覆蓋。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從基本的電磁理論出發(fā)的情況下，對(duì)天線提出可5G雙頻段通信和尺寸小型化的需求，在“Chu極限”的前提結(jié)論下，利用曲流技術(shù)，加載技術(shù)，可重構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)天線的小型化設(shè)計(jì)，與此同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)天線多頻段覆蓋。由于5G需要足夠的帶寬，速率和低延時(shí)，所以MIMO技術(shù)也是本天線設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，由于天線本身的帶寬較小，多輸入多輸出技術(shù)可以有效的利用頻譜資源，原理是利用空域編碼把信息分成M個(gè)子流，再用M個(gè)天線發(fā)射出去，以此來實(shí)現(xiàn)信號(hào)收發(fā)，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的多徑衰落效應(yīng)。本天線以FR-4材料做為基板，在基板周圍貼有理想導(dǎo)體的10個(gè)天線，基板相對(duì)介電常數(shù)為4.4，損耗正切為0.02。為了以此材料模擬手機(jī)的尺寸，本文將介質(zhì)板設(shè)計(jì)成長為80mm，寬為150mm，高為0.8mm的長方體，該形狀相仿于手機(jī)，圖1中給出了具體的尺寸大小。將10個(gè)5G天線模塊在介質(zhì)板上對(duì)稱式放置，150mm邊上放置每邊放置3個(gè)天線，其中兩個(gè)同向放置，另一個(gè)反向180°放置。80mm上每邊放置2個(gè)天線，還在每個(gè)天線下方放置了兩個(gè)矩形的介質(zhì)槽空間來用于提高天線的對(duì)外輻射，圖2給出了具體的尺寸為16.5mm×2.5mm和0.5m×0.5mm，圖1中L1為10mm，L2為5.5mm。150mm邊上的天線到另一側(cè)邊的距離分別為28.5mm，70.8mm，116mm。并且Ant9和Ant4在圖中與Ant2，Ant3，Ant7，Ant8為Y軸上的鏡像關(guān)系，Ant1和Ant5與圖中的Ant6與Ant10為X軸上的鏡像關(guān)系，這種設(shè)計(jì)可以提高天線的輻射范圍。該天線全部都應(yīng)用50Ω同軸饋電方式，為了便于50Ω的SMA接頭從板內(nèi)饋電，該十個(gè)天線單元的貼合面與饋電線在介質(zhì)板中間穿孔輸入，這樣可以保證輸電的穩(wěn)定性。本天線為L型的單極子天線，天線位置決定了隔離度，通過仿真優(yōu)化后設(shè)置L長度3.5m，A端的寬度為1.5mm。天線的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)5G的通信需求，目標(biāo)覆蓋頻段為3300-3400MHz和4800-5000MHz。

圖1 天線尺寸圖

圖2 每個(gè)單元尺

2 天線的性能分析

用來描述天線工作性能的參數(shù)叫做天線電參數(shù)，是天線性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)和尺度。比如輸入阻抗、S參數(shù)、駐波比、方向圖、增益、效率等。圖2中該天線的L處長度為3.5mm，位于A處的紅點(diǎn)是饋電點(diǎn)，饋電電纜半徑為0.2mm。本MIMO天線是由10個(gè)L型單極子天線對(duì)稱式分布，圖3是仿真出的S11參數(shù)圖，圖中測(cè)量結(jié)果基本符合目標(biāo)的覆蓋頻段，在回波損耗小于-10dB時(shí)的相對(duì)帶寬約為6%(3267～3459MHz)和8%(4852～5279MHz)，5G的通信頻段為3300-3400MHz和4800-5000MHz。

圖3 S11參數(shù)

本文設(shè)計(jì)了一種面向5G的手機(jī)天線，主要運(yùn)用了MIMO技術(shù)來實(shí)現(xiàn)多頻段和高帶寬的性能，通過仿真優(yōu)化在布局上實(shí)現(xiàn)了減少單元間互耦的影響，增加了隔離度。在5G手機(jī)領(lǐng)域提供了較好的天線方案?？紤]到手機(jī)內(nèi)部空間的緊湊性，把天線小型化的同時(shí)，能保持較好的增益，有很高的應(yīng)用價(jià)值。