孫嘉騫，秦裕航

（中國兵器裝備集團自動化研究所有限公司，四川 綿陽 621000）

0 引 言

4G 網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)造了繁榮的網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟，由于通信業(yè)務(wù)的多元化和復(fù)雜化，人們追求網(wǎng)絡(luò)事物多樣性的需求也日益增長，第五代移動通信系統(tǒng)（5G）應(yīng)運而生，它能夠?qū)崿F(xiàn)人與人、人與物、物與物之間的互聯(lián)互通，VR、自動駕駛、遠程手術(shù)等具有巨大前景的技術(shù)也在5G 時代誕生并發(fā)展著。

5G 具有超大的帶寬、巨大的傳輸速率，5G 時代的到來也促進著MIMO 技術(shù)的發(fā)展，但是其代價是增加了收發(fā)方的天線復(fù)雜度，使得天線設(shè)計必須考慮各個天線的互相影響，這對天線工程師來說是個巨大的挑戰(zhàn)。

近年來，5G 技術(shù)越來越受到學(xué)術(shù)界和行業(yè)領(lǐng)域的關(guān)注。作為5G 無線通信的關(guān)鍵技術(shù)，大規(guī)模的MIMO 可以極大地提高信道容量。因此，如何將越來越多的元件放置在有限的空間中是天線設(shè)計者面臨的一個難題。

當(dāng)各個天線單元之間的距離較小時，天線之間的耦合度會很大，對天線性能影響十分嚴(yán)重。因此，如何提高各個天線間的耦合度成為MIMO 天線設(shè)計的重難點。為了解決這一問題，通常采取以下3 種方法：（1）將天線進行彎折，改變電流的路徑，降低天線的諧振頻率，這種方法也存在一定缺陷，改變電流的流向會導(dǎo)致方向圖產(chǎn)生變異。（2）提高板載天線介質(zhì)板的介電常數(shù)能夠增加隔離度，但是對于手機天線設(shè)計來說，一般使用FR4 介質(zhì)板，由于使用場景的限制，這種方法的可行性不是很高。（3）利用耦合饋電使天線增加分布式電容，使天線激勵起比較低的輻射模式，但是這種方法的困難點是饋電位置的選擇。

1976 年，Andersen 等人[1]從阻抗的方向出發(fā)，研究了天線耦合的問題，并將單極子天線作為例證。Kokkinos團隊實現(xiàn)了利用地板縫隙對port PIFA 天線的去耦[2]。Ban 等人[3]結(jié)合3.5 GHz 天線特點，利用中和線實現(xiàn)二單元4G MIMO 天線的去耦設(shè)計，其中的混合天線由GSM850/900/180/1800/1900/UMTS2100/LTE2300/2500和8個工作于3 400 ～3 600 MHz 頻段上的元件組成。還有一些其他的技術(shù)獲得了良好的性能，如Li 等人[4]提出的八元件天線設(shè)計，利用耦合饋電元件和單極子槽元件之間的雙極化輻射，獲得了超過12.5 dB 的良好隔離度，天線在2 550 ～2 650 MHz 頻段上工作，包絡(luò)相關(guān)系數(shù)小于0.15，在工作頻帶上的信道容量約為38 ～40 b/s/Hz。文獻[5-9]中針對特定頻段提出5G 多天線陣列，例如在文獻[8]中，工作頻段為2.4 GHz；在文獻[5]中，天線結(jié)構(gòu)在2.6 GHz 頻段下工作，應(yīng)用于MIMO 技術(shù)；在文獻[9]中，3.5 GHz 的多天線系統(tǒng)使用了開放式縫隙天線。從已有文獻[9-17]來看，用于MIMO 的多天線結(jié)構(gòu)在幾何形狀和尺寸上有所不同，并且大多支持選擇性頻帶。

1 天線設(shè)計基礎(chǔ)

1.1 天線基本類型

在手機移動終端所使用的天線大致包括：偶極子天線、單極子天線、IF 天線。下面將對這3 種天線類型作簡要介紹。

偶極子天線是最基礎(chǔ)的天線之一。如圖1 所示，中間為饋點，兩條長度為四分之一波長的直導(dǎo)線分別位于饋點兩側(cè)對稱放置，它的直徑遠小于其工作波長。

圖1 偶極子天線

單極子天線是在偶極子天線的基礎(chǔ)上設(shè)計而來的，如圖2 所示，單極子天線一端在地面饋點，因為地板的存在和鏡像定理，地板下方也相當(dāng)于存在長度為四分之一工作波長的直導(dǎo)線。單極子天線與偶極子天線工作方式相似，但是單極子天線所占用空間較小，輻射功率也較小。因此單極子天線的應(yīng)用范圍更加廣泛[18]。

圖2 單極子天線

倒F 天線的衍變過程如圖3 所示。倒F 天線是由單極子天線改進而來的，單極子天線使用的是直導(dǎo)線，雖然相較于偶極子天線來說，單極子天線所占空間有所減小，但是對于特定環(huán)境下的天線設(shè)計來說，單極子天線所占用的空間還是太大了，于是我們將單極子天線進行彎折操作即形成了倒L天線。在倒L 天線的彎折處增加一個枝節(jié)接地，這樣就形成了倒F 天線[19]。倒F 天線應(yīng)用十分廣泛，在移動終端設(shè)備的天線設(shè)計中也常常以倒F 天線為基礎(chǔ)進行設(shè)計。

圖3 倒F 天線的衍變過程

1.2 天線基本參數(shù)

天線基本參數(shù)主要有天線的方向性/方向圖、帶寬、效率、MIMO 天線的隔離度等。

（1）天線的方向性是指向某一方向接收或發(fā)射信號能力的大小。若天線在一特定方向上方向性較大，則表示該天線在這一方向上接收或發(fā)射信號的能力較強，反之亦然。

（2）天線帶寬是指天線所能夠發(fā)射或接收信號的頻率范圍，一般用天線的回波損耗來描述天線的帶寬，回波損耗為-10 dB 時，天線發(fā)射或接收頻率范圍即為天線帶寬。

（3）天線效率是指天線輻射功率與輸入功率的比值，計算公式為：天線效率η=輸出功率/輸入功率。

（4）MIMO 天線的隔離度是衡量MIMO 天線特有的參數(shù)，若天線間耦合度過大（隔離度過小），就會導(dǎo)致天線的性能很差。天線耦合度通常用Sij（i≠j）來表示，對于手機天線設(shè)計來說，天線隔離度|Sij（i≠j）|>10 dB 即可。

2 雙頻單元天線設(shè)計

本章設(shè)計了一款雙頻倒F 天線，它是由單頻倒F 天線改進而來，在單頻倒F 天線枝節(jié)上方增加一個枝節(jié)實現(xiàn)天線的雙頻段工作，將上方枝節(jié)進行彎折來實現(xiàn)小型化。最終，它能夠工作在2.4 ～2.6 GHz 和3.4 ～3.6 GHz 頻段范圍內(nèi)，并且擁有較高的增益和天線效率。

2.1 天線基本結(jié)構(gòu)

雙頻天線單元如圖4 所示，其中A 為饋點，產(chǎn)生激勵；B 為接地點，與介質(zhì)板背面的地面連接。L1=10.7 mm，L2=13.6 mm，L3=10.8 mm，H1=6.8 mm，H2=3 mm，H3=1.7 mm，W=0.8 mm，D=3.2 mm。天線單元為IFA，一共有2 個枝節(jié)，通過將枝節(jié)彎折來縮小天線所占的面積。

圖4 雙頻天線

2.2 單元天線設(shè)計與原理分析

雙枝節(jié)IFA 天線由傳統(tǒng)的IFA 天線改進而來。傳統(tǒng)IFA天線只能工作在一個頻段，在許多移動終端設(shè)備中都有所應(yīng)用，它的枝節(jié)長度大約為工作波長的四分之一。為了使IFA能夠工作在兩個頻段且所占面積較小，做以下設(shè)計：首先設(shè)計一個能夠工作在3.4 ～3.6 GHz 頻段的單頻IFA 天線，如圖5 所示。由于IFA 枝節(jié)長度約為其工作波長的四分之一，要想使其工作在3.4 ～3.6 GHz 頻段，其枝節(jié)長度應(yīng)為22 mm。該天線的回波損耗如圖6 所示，其工作在3.5 GHz 頻段。

圖5 單頻IFA 天線

圖6 IFA 的回波損耗

本文通過增加枝節(jié)的方式使傳統(tǒng)倒F 天線能夠雙頻工作，如圖7 所示。增加枝節(jié)相當(dāng)于增加了一條電流的通路，枝節(jié)的長度與所需工作頻率有關(guān)。通過在高頻枝節(jié)上方增加一條枝節(jié)使其既能在高頻段工作，也能夠在低頻段工作。在上方添加的枝節(jié)并不是直的，而是一種彎曲結(jié)構(gòu)，這樣做的目的是減小天線所占面積，對降低天線間的耦合度也有一定好處。該天線最終能夠工作在2.4 ～2.6 GHz 和3.4 ～3.6 GHz 頻段，天線回波損耗如圖8 所示。

圖7 雙頻IFA 天線

圖8 雙頻IFA 回波損耗

雙頻IFA 天線的方向圖如圖9 所示，天線最大增益為6.2 dB。如圖10 所示，當(dāng)天線工作頻率為2.5 GHz 時，它的效率約為94%；當(dāng)它的工作頻率為3.5 GHz 時，它的效率大約為83%。這表明該天線具有良好的輻射特性。

圖9 雙頻IFA 天線的方向圖

圖10 雙頻IFA 天線的天線效率

為了研究天線的工作原理，從而進一步分析各個枝節(jié)尺寸對天線不同頻段的影響，對天線L1枝節(jié)和L2枝節(jié)的不同長度進行仿真，其結(jié)果如圖11 所示。高頻部分主要由圖4中天線的L1枝節(jié)控制，低頻部分主要由L2枝節(jié)控制。當(dāng)增加L1的長度時，該單元天線高頻向低頻靠攏，而低頻部分變化不大。當(dāng)縮短L2的長度時，該天線的低頻向高頻靠攏，而高頻部分變化不大。由此可以得出，L1枝節(jié)對高頻影響較大，L2枝節(jié)對低頻影響較大。為后續(xù)八單元天線頻率的調(diào)整做了前期準(zhǔn)備。

圖11 調(diào)整枝節(jié)長度對S11 的影響

3 雙頻MIMO 天線設(shè)計

本章設(shè)計了雙頻八單元MIMO 天線，該天線主要工作頻段為2.4 ～2.6 GHz 和3.4 ～3.6 GHz，能夠覆蓋4G 和5G主要頻段。單元天線為IFA 結(jié)構(gòu)，是通過對倒F 天線改進而來的。普通倒F 天線只能工作在單一頻段，本章通過增加枝節(jié)的方式來實現(xiàn)天線的多頻工作。八個天線分布在地板的上下左右側(cè)，每側(cè)各兩個天線。一些天線間的間距比較大，隔離度自然較大，無須調(diào)整；但是有些天線距離較近，隔離度較低。本章通過對地板開槽的方式提高隔離度，最終使各天線的隔離度能夠大于10 dB。本文對八單元天線的效率進行了優(yōu)化及仿真，該天線效率在58.5%～81%之間，說明該天線具有良好的輻射特性。

3.1 雙頻雙單元MIMO 天線設(shè)計

雙頻雙單元MIMO 天線整體結(jié)構(gòu)如圖12 所示，兩個天線對稱放置于地板上側(cè)，天線1 和天線2 的回波損耗如圖13 所示，可知該MIMO 天線在2.4 ～2.6 GHz 和3.4 ～3.6 GHz 上均滿足回波損耗小于-6 dB。天線1 和天線2 的隔離度如圖14 所示，在所需頻率范圍內(nèi)，兩天線之間的隔離度大于10 dB，具有良好的輻射性能。天線方向圖如圖15 所示，最大天線增益為6.3 dB，天線增益良好；同時可以看出該天線向下輻射信號能力較強。如圖16 所示，該天線工作在2.5 GHz 時效率大約為92%，它工作在3.5 GHz 時效率大約為82%，天線具有良好的輻射特性。

圖12 雙頻雙單元MIMO 天線

圖13 雙頻雙單元MIMO天線的回波損耗

圖14 雙頻雙單元MIMO 天線的隔離度

圖15 雙頻雙單元MIMO 天線的方向圖

圖16 雙頻雙單元MIMO 天線的效率

當(dāng)兩天線接地點距離為33 mm 時，它們之間的隔離度良好；當(dāng)兩天線距離逐漸靠近時，它們之間的隔離度逐漸減小。如圖17 所示，當(dāng)兩天線距離為9 mm 左右時，接近隔離度最低要求10 dB。

圖17 減小天線距離后兩天線隔離度

3.2 雙頻四單元MIMO 天線設(shè)計

雙頻四單元MIMO 天線整體結(jié)構(gòu)如圖18 所示，地板上方有兩個天線對稱放置，地板下方有兩個天線對稱放置。各個天線的回波損耗如圖19 所示，可以看出，四個天線都能在2.4 ～2.6 GHz 和3.4 ～3.6 GHz 兩個頻段上正常工作。各天線隔離度都大于10 dB，如圖20所示。由于天線間距離較大，地板耦合電流衰減較快，所以各天線間耦合度滿足基本要求。天線方向圖如圖21 所示，最大天線增益為6.1 dB，天線增益良好；同時可以看出，該天線向下輻射信號能力比向上輻射信號能力強。天線效率如圖22 所示，當(dāng)它工作在2.5 GHz時天線效率約為93.5%，當(dāng)它工作在3.5 GHz 時天線效率約為75%，該天線具有良好的輻射特性。

圖19 雙頻四單元MIMO天線的回波損耗

圖20 雙頻四單元MIMO 天線的隔離度

圖21 雙頻四單元MIMO 天線的方向圖

圖22 雙頻四單元MIMO 天線的效率

當(dāng)上側(cè)和下側(cè)放置兩天線間距為33 mm 時，隔離度良好。如圖23 所示，當(dāng)逐漸減小上側(cè)兩天線間距和下側(cè)兩天線間距后，天線隔離度逐漸減小。當(dāng)兩天線接地點距離為13 mm 時，S12和S34基本重合且在低頻附近為10 dB，接近于臨界值。減小上側(cè)兩天線間距和下側(cè)兩天線間距后，對S13、S23、S14、S24的影響較小，仍然滿足隔離度大于10 dB的要求。

圖23 減小上下側(cè)兩天線間距后的隔離度

3.3 雙頻八單元MIMO 天線設(shè)計

基于四單元天線設(shè)計，本文進一步研究了雙頻八單元MIMO 天線設(shè)計方法。如圖24 所示，雙頻八單元MIMO 天線上下左右側(cè)各放置2 個天線單元，并在地板上開4 個L 型槽來增大天線1 和天線6、天線2 和天線7、天線4 和天線8、天線3 和天線5 間的隔離度。

圖24 雙頻八單元MIMO 天線

如圖25 所示，通過對單元天線枝節(jié)長度的微調(diào)，使各個天線的回波損耗基本能夠覆蓋2.4 ～2.6 GHz 和3.4 ～3.6GHz兩個頻段，滿足覆蓋4G頻段和5G頻段的要求。

圖25 雙頻八單元MIMO 天線的回波損耗

未開L 型槽時，由于天線1 和天線6、天線2 和天線7、天線4 和天線8、天線3 和天線5 之間的間距較小，導(dǎo)致它們之間的耦合度過大，如圖26 所示，天線間隔離度小于10 dB，天線性能較差。天線5、天線6、天線7、天線8之間的間距較大，如圖27 所示，它們之間的隔離度均大于10 dB。通過在地板開L 型槽，阻斷地板耦合電流來增大其隔離度，最終各天線間隔離度均大于10 dB，符合手機天線設(shè)計的基本要求。

圖26 未開槽時各天線間的隔離度

圖27 開槽后各天線間的隔離度

L 型開槽如圖28 所示，L 型開槽的長邊為16 mm，短邊為8 mm，寬為1 mm。4 個地板槽大小相同，上下左右四槽關(guān)于地板中心對稱。該開槽方案在對地板整體性能影響很小的情況下，使天線間的隔離度增大了2 ～3 dB。

圖28 L 型開槽

如圖29 所示，若將地板開槽的L 型長邊及短邊的長度各減小一半，所得隔離度如圖30 所示，天線5 與天線7、天線6 與天線8、天線4 與天線、天線2 與天線7、天線1 與天線6、天線1 與天線5 之間的隔離度都有所下降。對比可知，天線開槽尺寸過小不能阻斷地板耦合電流，對耦合度的影響較小。

圖29 減小L 型開槽后的尺寸

圖30 減小L 型開槽尺寸后的隔離度

天線方向圖如圖31 所示，最大天線增益為3.1 dB。

圖31 雙頻八單元MIMO 天線的方向圖

如圖32 所示，天線工作效率在58.5%～81%之間。天線效率均大于50%，其輻射性能較好。

圖32 雙頻八單元MIMO 天線的效率

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一個單元天線，天線結(jié)構(gòu)為雙枝節(jié)IFA，通過較短的枝節(jié)產(chǎn)生高頻輻射，通過較長的枝節(jié)產(chǎn)生低頻輻射。該天線能夠工作在2.4 ～2.6 GHz 和3.4 ～3.6 GHz 頻段，單元天線最大增益為6.3 dB，當(dāng)它工作在2.5 GHz 時天線效率約為94%，當(dāng)它工作在3.5 GHz 時天線效率大約為83%。雙頻雙天線是通過將兩個單元天線對稱放置于地板上側(cè)而形成的MIMO 結(jié)構(gòu)。雙頻雙天線最大增益為6.3 dB，該天線工作在2.5 GHz 時效率大約為92%，當(dāng)它工作在3.5 GHz 時效率大約為82%。由于雙天線間隔距離較大，所以它們之間的耦合度較小，基本滿足設(shè)計要求。雙頻四單元天線的各個天線單元分布在地板上下兩側(cè)，每側(cè)各兩個天線并呈對稱分布。該天線最大增益為6.1 dB，當(dāng)它工作在2.5 GHz 時天線效率約為93.5%，當(dāng)它工作在3.5 GHz 時天線效率約為75%。由于各個天線之間距離較大，它們擁有較好的隔離度。雙頻八單元天線的8 個天線分別位于地板上下左右側(cè)，通過開L 型地板槽的方式降低各天線間的耦合度，與未開槽時天線隔離度相比，該天線隔離度增加2 ～3 dB，同時對開槽尺寸進行優(yōu)化設(shè)計，最終選取長邊為16 mm、短邊為8 mm 的L 型開槽。最終利用全波仿真軟件對天線進行仿真，隔離度效果優(yōu)于10 dB，效率在58.5%～81%之間，天線最大增益為3.1 dB，具有較好的輻射特性。

本文通過在地板開L 型槽，利用缺陷地板結(jié)構(gòu)阻斷耦合電流來提高各個天線間的隔離度。相較其他去耦方式，該方式操作簡單，易于實現(xiàn)。最終使天線間的隔離度大于10 dB，使它們的回波損耗基本能夠覆蓋2.4 ～2.6 GHz 和3.4 ～3.6 GHz 頻段。后續(xù)還需進一步研究如何不改變地板結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)去耦，如何對4G 和5G 全部頻段進行覆蓋，以及如何在較小的空間內(nèi)使MIMO 天線的隔離度足夠大，這也是現(xiàn)在天線設(shè)計的重難點之一。