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        一種適用于5G智能終端的新型自解耦天線對

        2023-02-07 07:39尚新文易紅霞
        現(xiàn)代電子技術(shù) 2023年3期
        關(guān)鍵詞:隔離度凈空反射系數(shù)

        袁 軍,肖 疆,肖 劉,尚新文,易紅霞,李 飛,金 鋒

        (1.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院,北京 100190;2.中國科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院,北京 100049;3.是德科技(中國)有限公司,北京 100020)

        0 引言

        近年來,多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于4G與5G移動通信系統(tǒng)中,它可以成倍地提高通信系統(tǒng)的容量[1]。然而,天線數(shù)目的增多和空間的限制,導(dǎo)致天線單元之間的物理距離被壓縮,使天線之間產(chǎn)生較強的電磁耦合和干擾,進而導(dǎo)致無線系統(tǒng)性能損失[2]。因此,提高智能設(shè)備上天線之間的隔離度是問題的關(guān)鍵。近些年,不斷有新的設(shè)計方案被提出:在文獻[3-5]中,利用多饋技術(shù)和扼流槽組成了高隔離度的多天線系統(tǒng);文獻[6]利用電流的正交模式實現(xiàn)了超高的隔離度;文獻[7]通過結(jié)合低頻段的正交單極/偶極模式和高頻段的正交開槽模式,實現(xiàn)了寬帶的解耦特性;文獻[8]基于模式抵消法提出了一種耦合環(huán)結(jié)構(gòu)的集成MIMO天線,實現(xiàn)了自解耦。但這些方案在實際應(yīng)用時,依然面臨著破壞金屬地、效率不高或者對凈空要求高的問題,難以滿足當(dāng)前5G智能設(shè)備天線設(shè)計的需要。

        因此,本文提出了一種適合5G智能終端的自解耦天線對,由其組成、實現(xiàn)的4×4 MIMO天線方案凈空僅僅1 mm。仿真結(jié)果表明:該自解耦天線對在3.4~3.6 GHz頻段上的隔離度大于19 dB,由其組成的4×4 MIMO系統(tǒng)在各端口間的隔離性能在3.4~3.6 GHz頻段上優(yōu)于16.7 dB,ECC<0.022;系統(tǒng)仿真的總效率達到88%~94%。

        1 天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計

        1.1 天線對設(shè)計

        自解耦天線對是組成MIMO天線系統(tǒng)的基本部分,其具體參數(shù)如圖1所示。該自耦合天線對印刷在一塊80 mm×40 mm×0.8 mm的FR-4介質(zhì)基板的上表面,其下放置一塊80 mm×30 mm的金屬接地板。

        圖1 自解耦天線對結(jié)構(gòu)

        1.2 4×4 MIMO天線對系統(tǒng)

        利用兩個天線對組成了4×4 MIMO天線系統(tǒng)??紤]到“全面屏”“瀑布屏”等新的工業(yè)設(shè)計將導(dǎo)致天線的設(shè)計空間被壓縮,所以把天線布置到側(cè)面,凈空僅僅1 mm。對天線對進行參數(shù)調(diào)整后,得到的具體參數(shù)如圖2所示。

        圖2中,L0為69.8 mm,金屬印刷面積為150 mm×68 mm??紤]到目前智能設(shè)備多天線系統(tǒng)的實現(xiàn)難度和發(fā)展現(xiàn)狀,將優(yōu)先考慮4×4 MIMO系統(tǒng),接下來的仿真也將貫徹這一想法。

        圖2 MIMO天線系統(tǒng)具體參數(shù)

        2 仿真結(jié)果與對比分析

        2.1 天線對的仿真結(jié)果

        在全波電磁仿真環(huán)境中按照圖1中的模型進行建模仿真,得到自解耦天線對的仿真結(jié)果如圖3所示。

        圖3 自解耦天線對仿真結(jié)果

        從圖3可以看出,在3.4~3.6 GHz內(nèi),該天線對的隔離度優(yōu)于19 dB,S11和S22優(yōu)于11 dB。

        2.2 4×4 MIMO天線系統(tǒng)仿真結(jié)果

        為了評估MIMO天線對的分集性能,通過模擬輻射遠場計算ECC的公式為:

        其中:

        式中:Eθ,i和Eφ,i是端口i分別在仰角和方位平面上的復(fù)電場;ρe代表包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(ECC);“*”是共軛算子。

        在全波電磁仿真環(huán)境中按照圖2中的參數(shù)進行建模,并且選擇其中2個天線對進行仿真,其不同排布方式如圖4所示。得到4×4 MIMO天線系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖5所示。

        圖4 不同排布方式的4×4 MIMO天線系統(tǒng)

        從圖5可以看出:排布方式1組成的4×4 MIMO天線系統(tǒng)在3.4~3.6 GHz的頻率范圍內(nèi)隔離度優(yōu)于16.7 dB,反射系數(shù)優(yōu)于12 dB,ECC低于0.022,總效率達到88%~94%;排布方式3組成的4×4 MIMO天線系統(tǒng)的隔離性能在3.4~3.6 GHz的頻率范圍內(nèi)優(yōu)于16.3 dB,反射系數(shù)均優(yōu)于12 dB,各個端口的ECC均小于0.02,總效率達到88%~93%;排布方式2在3.4~3.6 GHz頻帶內(nèi)隔離性能優(yōu)于13 dB,反射系數(shù)均優(yōu)于11.5 dB,各個端口的ECC均小于0.025,總效率達到79%~87%。

        圖5 4×4 MIMO天線系統(tǒng)的仿真結(jié)果

        2.3 結(jié)果分析與比較

        為了突出所提出的自解耦天線對的優(yōu)點,本文將排布方式1的MIMO天線系統(tǒng)與其他方案進行比較,如表1所示。

        由表1可見,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。不同于需要在地板開槽的方案,本文提出的方案結(jié)構(gòu)簡單,具有自解耦屬性。更重要的是,本文提出的方案凈空僅僅1 mm,考慮到智能終端天線設(shè)計的空間不斷被壓縮的現(xiàn)狀,本文的方案更具可實現(xiàn)性。

        表1 不同方案的比較

        綜上,本文提出的自解耦天線對在智能終端領(lǐng)域擁有很大的應(yīng)用潛力。

        3 結(jié)語

        本文提出了一種簡單的自解耦MIMO天線對,對于由該自解耦天線對組成的4×4 MIMO系統(tǒng),凈空區(qū)僅僅占有1 mm。仿真結(jié)果表明,4×4 MIMO系統(tǒng)各端口在3.4~3.6 GHz頻段內(nèi)的隔離度能達到16.7 dB以上。本文提出的天線位于側(cè)面邊框,符合全面屏智能手機天線的設(shè)計,以小凈空為前提滿足端口隔離度,可實現(xiàn)較好的分集性能,且天線無需額外的解耦電路,適合于當(dāng)今的智能手機。

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