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。