基于5G智能终端8单元MIMO天线设计
郭兰图;袁琴;李煜;耿友林
【摘 要】设计一款用于智能手机移动终端设备的MIMO天线,其具有13.4 mm×6 mm的小尺寸平面结构,适用于我国工信部在2017年6月公布的5G频段(3.3～3.6 GHz).天线由8个呈中心对称的单元天线构成,单元天线排布在终端设备的两侧;3.3～3.6 GHz范围内,天线的实测回波损耗大于7dB,该阵列天线中任意两天线之间隔离度优于10dB,单元天线间相关系数小于0.1.模拟和实验结果表明:单元天线在其远场辐射特性方面具有良好的独立性.
【期刊名称】《杭州电子科技大学学报》
【年(卷),期】2019(039)005
【总页数】5页(P8-12)
【关键词】MIMO天线;5G;移动终端天线;八单元天线
【作 者】郭兰图;袁琴;李煜;耿友林
【作者单位】中国电波传播研究所 ,山东青岛266107;吉林省通化无线电监测站 ,吉林通化134000;杭州电子科技大学电子信息学院 ,浙江杭州310018;杭州电子科技大学电子信息学院 ,浙江杭州310018
【正文语种】相机四大黑店中 文
【中图分类】TN823
0 引 言
垂柳树随着手机用户不断增涨，通信系统压力不断增大，带宽受到限制，因此，需要增加信道容量来提高数据的传输速率，长期演进(Long Term Evolution，LTE)新型无线标准推出后，相比于单输入单输出(Single Input Single Output, SISO)系统，多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)系统能够在不降低系统性能的情况下，成倍增加信道容量，从而提高无线通信系统的性能。研究发现：多径环境下的天线信道容量与发射和接受天线的数量有关[1]。多天线之间接收信号要求具有低相关性，移动通信标准要求包络相关系数小于0.3。
手机终端尺寸的限制，需要在现有尺寸下放置多个天线，要求单元天线体积小且辐射效率高；此外，天线的设计需要满足单元天线之间的隔离度大于10 dB的要求，这些要求对于5G系统来说是比较大的挑战，也是5G多天线研究中的重点和难点。文献[2]设计了一款八阵列天线，通过C形耦合馈电结构和L形单极槽结构形成双极化，减少天线间的耦合，在3.4～3.6 GHz频段之间实现-6 dB的回波损耗，但是天线尺寸大于30 mm；文献[3]设计了一款3.6 GHz的十单元天线，利用地板短条在开放槽处提供强电容，从而将激励产生的谐振模式转向更低频，在3.4～3.8 GHz范围内获得优于-6 dB的回波损耗，且利用对称结构使得单元间隔离度大于10 dB；文献[4]设计了一款非完全镜像对称的紧凑型MIMO天线，覆盖频段为3.4～3.6 GHz，虽然在该频段范围内实现了大于10 dB的隔离度，但是有回波损耗较差的不足。就目前的手机天线来说，立体天线具有通过天线的立体化有效增加频带的带宽，提高天线的辐射效率[5]的优点。多天线之间隔离度问题一直是MIMO天线研究的重点，如文献中采用中和线技术[6]、双极化[7]等方式增加天线之间的隔离度。通过天线的辐射方向进行调节一直是多天线结构设计的重要方向，针对前人设计中存在的尺寸较大、空间复用性差等劣势，本文采用一种3D立体的天线结构，设计了一款8单元立体天线结构。
1 8单元MIMO天线结构
图1 8单元天线的整体结构
祸及池鱼
本文设计的8单元MIMO天线采用的是一种3D立体结构的IFA天线，增加了接地点，在复杂环境中其电磁辐射稳定。本文设计的8单元MIMO天线系统利用对称方式形成相反的电流，使得天线单元间的隔离度大于10 dB，其仿真结构如图1所示。阵列结构由8个相同的天线单元构成，设置在终端设备的两侧，中心对称放置，8个单元天线放置在尺寸为167 mm×70 mm×1 mm的基板上，基板的材质为相对介电常数为4.4的FR4材料。其中，单元天线蚀刻在支架上，支架的尺寸为13.4 mm×6.0 mm×3.0 mm的FR4板，底层为天线单元的共地参考地面。靠近顶部边缘的天线和顶部的距离为10.5 mm，天线单元之间的间隔为30.8 mm。所有的天线单元通过50 Ω的射频连接器连接。
8单元天线的详细结构如图2所示，微带线蚀刻在支架上，并且通过具有1 mm宽度且长度为3 mm的金属带将天线的短枝节与地短路从而获得1/4波长特性，从而减小天线的尺寸。图2(a)中，F为馈电点，G为接地点，L2为枝节长度，接地点G与地连接可以减小天线在该频点需要的电尺寸。
图2 天线单元详细结构
天线单元Ant1～Ant4与天线Ant5～Ant8镜像对称，用HFSS软件模拟，天线单元的S参数如图3所示，天线系统的隔离度如图4所示。图3显示了Ant1～Ant8的S参数，可以看到：天线单元在3.3～3.6 GHz的回波损耗大于10 dB。图4中，Sij表示天线i和天线j之间的隔离度，可以看到：在3.3～3.6 GHz范围内，天线单元的隔离度大于10 dB，Ant3与Ant5之间的隔离度优于Ant1与Ant3之间的隔离度，这是由于Ant4与Ant6的电流流向相反，因此隔离度要大于18 dB。
图3 天线单元的S参数
图4 天线系统的隔离度
天线单元之间的间隔d变化时，S参数与频率的关系如图5(a)所示，可以看出：随着间隔长度的增加，Ant1与Ant3之间的隔离度随之优化，天线Ant3与Ant5之间的隔离度变差，且Ant3的回波损耗变差，通过调节最后选定天线单元之间的间隔为30.8 mm。枝节L2长度变化对中心频点的影响如图5(b)所示，可以看出：随着L2的减小，S参数随之减小，带宽宽度随之变窄，因此，通过调节L2可以微调天线带宽以及中心频点。
图5 调节参数时，S参数与频率的关系
夏洛蒂勃朗特简介
2 实物测试和数据分析
图6 天线实物图
对HFSS设计的模型进行分析和仿真后，制作出实物并进行测试。天线实物如图6所示，分别为天线系统的正面和背面。
8单元天线的系统仿真数据和实测数据的S参数如图7所示。和仿真数据相比，实测数据向高频段偏移，仿真的回波损耗在-6 dB以下的覆盖范围为3.20～3.77 GHz，而实测的回波损耗优于6 dB的频段范围为3.27～3.80 GHz。从仿真结果和实测结果可以看出：实测数据与仿真数据存在一定误差，这是由于实际的馈线采用柱形引线进行焊接，天线单元与主基板之间的空隙导致两者之间的误差。
幸福马上来8单元天线的实测隔离度如图8所示，实测的天线单元间的隔离度大于10 dB，所以，在3.30～3.60 GHz范围内，仿真数据和实测数据均符合终端天线对于隔离度的要求。
图7 实测与仿真S参数对比图
图8 MIMO天线系统实测隔离度
养生之道
相关系数是衡量天线的相关性的性能指标，相关性越小，其分集特性越好，相关系数的表达式如下[8]：
瑾字的含义(1)
式中，ρij表示天线的包络相关系数，Sii表示i端口自身反射系数，Sij表示天线端口i到天线端口j的方向传输系数，Sjj表示j端口自身的反射系数，“*”表示共轭复数。
通过式(1)计算得到的MIMO天线系统的包络相关系数如图9所示，可以看出：天线的包络相关系数小于0.1，远远小于通信标准的要求。Ant1～Ant4的实测效率如图10所示，可以看出：在5G频段范围内，天线的效率在55%～80%之间。
图9 阵列天线的包络相关系数
图10 Ant1～Ant4的实测效率
通过暗室测量得到xoz面(φ=0°)与yoz面(φ=90°)的二维辐射方向如图11所示。可以看出：实测数据与仿真数据存在一定误差，但是，Ant1与Ant3近似于全向辐射。
图11 Ant1与Ant3的实测与仿真的二维方向对比图
3 结束语
本文设计了一款适用于移动终端的8单元MIMO天线系统，系统由8个相同的立体单元天线结构组成，在频段3.3～3.6 GHz范围内实测的回波损耗大于7 dB。通过研究发现：利用天线的空间辐射特性可以有效增加天线单元之间的隔离度。采用3D形状的天线结构可以提高天线的空间利用率，减小天线尺寸，且天线的实测效率大于55%，效率较高，在实际移动通信领域具有较高的实用价值。但是，本文设计的天线系统仅覆盖5G的低频频段，后续可通过增加天线的枝节以便产生多个谐振点从而覆盖更广的频段范围。
参考文献
【相关文献】
可爱图
[1] AL-HADI A A, ILVONEN J, VALKONEN R, et al. Eight-element antenna array for diversity and MIMO mobile terminal in LTE 3 500 MHz band[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2014,56(6):1323-1327.
[2] LI M Y, BAN Y L, XU Z Q, et al. Eight-port orthogonally dual-polarized antenna array for 5G smartphone applications[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2016,64(9):3820-3830.
[3] LU J Y, CHANG H J, WONG K L. 10-antenna array in the smartphone for the 3.6 GHz MIMO operation[C]//2015 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting. IEEE, 2015:1220-1221.
[4] WONG K L, TSAI C Y, LU J Y. Two asymmetrically mirrored gap-coupled loop antennas as a compact building block for eight-antenna MIMO array in the future smartphone[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2017,65(4):1765-1778.
