唐曉菀

（興義民族師范學(xué)院，貴州興義，562400）

0 引言

隨著5G 技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)通信系統(tǒng)的信息傳輸量非常龐大，并呈指數(shù)式增長(zhǎng)趨勢(shì)。但是目前移動(dòng)終端設(shè)備的通信系統(tǒng)及傳輸系統(tǒng)的技術(shù)卻稍顯落后，無(wú)法支持大信息量的需求。因此，大幅度提高手持移動(dòng)終端設(shè)備天線的信道容量對(duì)5G 技術(shù)的近一步發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。多輸入多輸出技術(shù)通過增加信道數(shù)目，是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信超高容量的技術(shù)之一[1，2]。5G 頻段分為6GHz 以下波段及30GHz 以上波段。MIMO 技術(shù)利用大量的天線單元組成陣列系統(tǒng)可以在6G 以下的頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率。移動(dòng)終端設(shè)備需要支持各種需求，集成了各種傳感器和天線系統(tǒng)，如重力傳感器、光線傳感器、加速度傳感器、藍(lán)牙天線、WIFI 天線等。將MIMO 技術(shù)應(yīng)用在手機(jī)天線中，的確可以提高信道容量，但當(dāng)集成四個(gè)、六個(gè)類似的天線單元時(shí)，手機(jī)的空間將會(huì)不足，且各種結(jié)構(gòu)中金屬的部分會(huì)對(duì)手機(jī)內(nèi)部集成的天線產(chǎn)生很大的信號(hào)干擾[3]。因此，在手機(jī)有限的空間中放置多單元天線模塊提高信息傳輸量并且使多個(gè)天線之間具有良好的隔離度和ECC 具有非常重要的研究意義。

近來(lái)年，對(duì)于如何提高手機(jī)等移動(dòng)終端設(shè)備的MIMO天線陣列間的隔離度及縮小天線尺寸，已進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[4]提出一種新型自解耦天線對(duì)結(jié)構(gòu)，通過把天線設(shè)置在手機(jī)設(shè)備的側(cè)立面來(lái)提高天線間的隔離度。然而該結(jié)構(gòu)無(wú)法用于金屬邊框手機(jī)設(shè)備中，且手機(jī)側(cè)立面的介質(zhì)基板寬達(dá)10mm，這并不符合消費(fèi)者對(duì)于手機(jī)外觀的追求。文獻(xiàn)[5]提出一種緊湊型高隔離度雙頻 MIMO 天線的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)通過嵌入六邊形諧振環(huán)實(shí)現(xiàn)雙頻，減少了天線個(gè)數(shù)，同時(shí)通過刻蝕矩形縫隙去除耦合效應(yīng)。但是整個(gè)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工實(shí)現(xiàn)難度大，難以應(yīng)用于已經(jīng)安裝了多天線結(jié)構(gòu)的手機(jī)設(shè)備中。

本文提出一種將兩個(gè)天線單元完全重疊放置，縮減天線尺寸的方法。兩單元模塊由一個(gè)縫隙天線和一個(gè)環(huán)形天線組合，重疊放置后共享一個(gè)矩形凈空區(qū)域。在多單元模塊中通過刻蝕矩形縫隙，使得相鄰天線間的隔離度高于17.4dB。結(jié)果表明，采用兩單元天線重合放置和缺陷地方法結(jié)合，不需要增加去耦結(jié)構(gòu)就可實(shí)現(xiàn)高隔離度。

1 兩單元小尺寸MIMO 天線設(shè)計(jì)

■1.1 MIMO 技術(shù)

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，在發(fā)射和接收端使用多個(gè)天線即被稱為多輸入多輸出技術(shù)。分析MIMO 技術(shù)主要為了研究MIMO 信道容量和包絡(luò)相關(guān)性。

多輸入多輸出通信理論基于矩陣原理，即信道矩陣H[6]。圖1 為MIMO 信道框圖。

圖1 MIMO 信道框圖

H 中包含各種環(huán)境因素，包括散射、遮擋和衍射等。多天線發(fā)射端和接收端的每種組合都有自己的傳遞函數(shù)hmn，這類似單輸入單輸出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)[7]。這就構(gòu)成了信道矩陣：

根據(jù)信道矩陣和已經(jīng)定義的噪聲ρT可以快速確定最大信道容量C。

I表示單位矩陣，nT表示發(fā)射天線的個(gè)數(shù)，符號(hào)“+”表示共軛轉(zhuǎn)置。

相關(guān)系數(shù)(ρ)是衡量通信信道之間的隔離程度或相關(guān)情況的一種參數(shù)。天線在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生輻射方向圖，而多個(gè)天線共同工作時(shí)的輻射方向圖會(huì)發(fā)生相互影響，ρ的平方被即為包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(ρc)。在各向同性的傳播環(huán)境中，ECC 可以用遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

上式中，? 為立體角，F(xiàn)i(θ,?)和Fj(θ,?)分別為第i個(gè)和第j 個(gè)天線單獨(dú)饋電，其他端口接匹配負(fù)載時(shí)的三維遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖。可以看出，多輸入多輸出天線系統(tǒng)中可以隔離度和降低包絡(luò)相關(guān)性，來(lái)降低信號(hào)衰減階數(shù)[8]。

■1.2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的小尺寸天線結(jié)構(gòu)如圖2 所示，選用相對(duì)介電常數(shù)為4.4 的FR4 基板，長(zhǎng)、寬、厚度分別為145mm、75mm、0.8mm。金屬地板印刷在基板上表面?；宓淖笥覂刹糠至舫隽?0mm 的凈空區(qū)，用于放置手機(jī)的其他天線，如4G 天線等。

圖2 重疊兩單元模塊結(jié)構(gòu)圖

圖2 中紅色虛線框是兩單元模塊重合放置的結(jié)構(gòu)示意圖，從示意圖可以看出兩單元天線由一個(gè)L 型微帶天線、一個(gè)開口縫隙組成。其中開口縫隙中是環(huán)狀天線（小紅色矩形塊）及9.1nH 的芯片電感（藍(lán)色矩形塊）構(gòu)成，L 型微帶天線印刷在介質(zhì)板的背面，垂直段尺寸為8mm×1.5mm，水平段尺寸為5mm×0.4mm。小尺寸兩單元矩陣模塊寬度僅有1mm，長(zhǎng)度為28.5mm。兩天線單元共享一塊矩形凈空區(qū)域，通過改變電感的取值可以改善環(huán)狀天線的阻抗匹配。

通過仿真軟件對(duì)兩單元模塊進(jìn)行仿真測(cè)試，圖3 中S11、S22 曲線分別是兩單元模塊中環(huán)天線、微帶電線的諧振頻率的仿真視圖?？梢钥闯鰞蓡卧炀€模塊在頻段3.4～3.6GHz 具有良好的阻抗特性，天線間的隔離度高于18dB。該天線模式滿足MIMO 天線端口隔離度大于15dB的要求，并且長(zhǎng)度尺寸縮減量大于50%。

圖3 仿真S 參數(shù)曲線

■1.3 去耦原理

由縫隙天線和L 型微帶天線組成的兩單元模塊，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上重疊并且共享凈空區(qū)域，所以大大縮小了天線的尺寸。我們進(jìn)一步分析該模塊具有高隔離度的原因。

手機(jī)等移動(dòng)終端設(shè)備內(nèi)部集成多個(gè)任務(wù)功能，為了保證其天線能夠進(jìn)行全天候工作，往往設(shè)置凈空區(qū)域?？p隙的尺寸大小影響縫隙天線的諧振頻率，對(duì)于環(huán)狀天線的影響微弱。因此凈空區(qū)域的長(zhǎng)度對(duì)天線模塊的影響，主要關(guān)注縫隙天線的諧振變化。通過不斷的實(shí)驗(yàn)得出，凈空區(qū)域的長(zhǎng)度取28.5mm 時(shí)，天線間的阻抗匹配特性良好。

當(dāng)圖1 中環(huán)天線(Ant1)饋電時(shí)，其饋電電流方向呈平行于地板長(zhǎng)邊方向分布。當(dāng)圖1 縫隙天線(Ant2)饋電時(shí)，其饋電電流方向呈垂直于地板長(zhǎng)邊方向分布。因此Ant1 和Ant2 饋電時(shí)，感應(yīng)出的地板電流方向上是相互垂直的，因此有效減小了來(lái)自地板電流上的耦合。

2 四單元天線陣列設(shè)計(jì)

5G 移動(dòng)終端設(shè)備通常采用增加天線數(shù)量來(lái)提高信道容量，基于上文提到的重疊兩單元模塊設(shè)計(jì)出一款四單元天線陣列。圖4 為四單元MIMO 陣列天線結(jié)構(gòu)圖，4 單元天線模塊放置在同一側(cè)，由兩個(gè)相同的重疊兩單元模塊構(gòu)成。金屬地板長(zhǎng)度為125mm，凈空區(qū)域長(zhǎng)28.5mm，凈空區(qū)域與金屬地板邊界還需留出間隙，取5mm，那么兩個(gè)相同模塊間的間距d 為58mm。

圖4 四單元MIMO 陣列天線結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)的四單元MIMO 天線陣列的反射系數(shù)和傳輸系數(shù)如圖5 所示。從數(shù)據(jù)結(jié)果得出，在3.4～3.6GHz 頻段，所有單元的反射系數(shù)都小于6dB，但是由于不同模塊間有耦合效應(yīng)，天線1 和天線3 之間的隔離度小于15dB，這不能滿足MIMO 陣列天線的設(shè)計(jì)要求。

圖5 四單元MIMO 陣列天線仿真S 圖

天線饋電時(shí)會(huì)在金屬地板上形成饋電電流，當(dāng)多個(gè)天線饋電時(shí)，地板上的饋電電流會(huì)發(fā)生干擾[6]。本文設(shè)計(jì)一種缺陷地結(jié)構(gòu)，在金屬地板上刻蝕一條長(zhǎng)度為λ/4 矩形槽，刻蝕的矩形槽改變了電流的路徑從而抑制了天線間的互耦效應(yīng)。具體的結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 四單元MIMO 陣列天線缺陷結(jié)構(gòu)圖

對(duì)所設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真測(cè)試，結(jié)果表明，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(shì)。如圖7所示，天線1 與天線2 的隔離度為16.2dB，天線1 與天線3的隔離度提升到17.4dB。完全符合MIMO 陣列天線設(shè)計(jì)要求。

圖7 四單元MIMO 陣列天線缺陷結(jié)構(gòu)的仿真S 參數(shù)

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了應(yīng)用于 MIMO 終端的小尺寸天線陣列陣。通過將環(huán)形天線與微帶天線疊加來(lái)縮減天線尺寸，為了提高天線間的隔離度，研究了地板開槽對(duì)天線間互耦效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)地板端口間的耦合電流得到抑制，在整個(gè)帶寬內(nèi)端口隔離度都得到了提高，有利于天線應(yīng)用到 MIMO 移動(dòng)終端設(shè)備。