楊凌升，李 春，房建平，王友保

(南京信息工程大學(xué) 應(yīng)用電磁學(xué)研究中心，江蘇 南京 210044)

由于多輸入多輸出(MIMO)天線系統(tǒng)無須額外的輻射功率和頻譜帶寬就可提高整體數(shù)據(jù)傳輸速率[1]，因此廣泛用于4G無線通信系統(tǒng).通過研究發(fā)現(xiàn)，多徑環(huán)境下隨著發(fā)射和接收天線數(shù)目的增加，信道容量也增加[2].對于移動終端，由于設(shè)備可用空間受限，要求天線單元具有體積小、頻帶寬的特點，同時增益和輻射效率也要滿足需求.此外，整個工作頻帶內(nèi)，天線單元間耦合也要足夠低，這些均給系統(tǒng)設(shè)計帶來挑戰(zhàn).

用于移動通信終端的MIMO天線系統(tǒng)的報道陸續(xù)見于期刊，如一款由4/8貼片單元與互補開口諧振環(huán)構(gòu)成的MIMO天線系統(tǒng)[3]，該系統(tǒng)可用于5 GHz的IEEE 802.11ac標準，它具有80 MHz的-6 dB阻抗匹配帶寬.在一款3.5 GHz的平面倒F天線中，使用電容耦合元件后，MIMO天線系統(tǒng)可在3.4～3.6 GHz頻段內(nèi)實現(xiàn)-6 dB阻抗匹配，且單元間隔離度在10 dB以上[4].由微帶線饋電的開槽天線構(gòu)成的MIMO天線系統(tǒng)的-6 dB帶寬為3.4～3.8 GHz，同時在全頻帶實現(xiàn)了10 dB以上的單元間隔離度[5].倒F型天線(IFA)構(gòu)成的MIMO天線系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于天線系統(tǒng)[6].3D-IFA[7]作為倒F天線的一種，通過倒F天線單元的立體化，可有效實現(xiàn)天線Q值的降低和頻帶的增加[8-10].通過調(diào)整立體天線單元的放置方向，可實現(xiàn)輻射方向圖分集[11-13].可見，3D-IFA適合構(gòu)建移動終端的MIMO天線系統(tǒng)，因此筆者擬提出一款用于移動終端設(shè)備的6單元多輸入多輸出(MIMO)天線系統(tǒng).

1 天線的設(shè)計

圖1是6單元MIMO天線系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖(仿真模型由HFSS.15建立)，該MIMO天線系統(tǒng)由6個相同的3D-IFA構(gòu)成，6個3D-IFA天線單元放在大小為150 mm×75 mm×0.8 mm的基板頂層，基板尺寸為5.8 inch智能手機的大小，基板材質(zhì)為相對介電常數(shù)為4.4的FR4，底層是天線單元共同的參考地面.系統(tǒng)長邊頂部和底部的板邊均預(yù)留17.5 mm×75 mm的空間，以放置其他天線，滿足LTE/WWAN/GPS等應(yīng)用的需求.

圖1 6單元MIMO天線系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖

圖2為天線單元的詳細結(jié)構(gòu)圖.如圖2a所示，3D-IFA結(jié)構(gòu)附著于FR4介質(zhì)塊的表面，黑色部分是環(huán)繞介質(zhì)塊的銅條，其中F和G分別是天線的饋電點和接地點.圖2B為圖2A的平面展開圖，可以看出輻射枝條分別位于介質(zhì)塊的5個不同展開面(A，B，C，D，E)上.圖2C為參考地面上耦合枝條g1和g2的結(jié)構(gòu)，它們位于小介質(zhì)塊的正下方，與介質(zhì)塊上的輻射枝條耦合.

圖2 天線單元的詳細結(jié)構(gòu)

天線單元輻射枝條和耦合枝條在天線中發(fā)揮不同的功能.不同輻射枝條S參數(shù)與頻率的關(guān)系如圖3所示.從圖3可以看出，不同位置的輻射枝條對天線阻抗匹配的影響不同.輻射枝條a的長度為21 mm，此長度為3.6 GHz頻點對應(yīng)的1/4波長，如果去掉輻射枝條a，頻段3.4～4.0 GHz就會消失.輻射枝條b的長度為25 mm，此長度為3.0 GHz頻點對應(yīng)的1/4波長.通過對比可以發(fā)現(xiàn)輻射枝條b影響的頻段是1.65～1.9 GHz和2.8～3.5 GHz.輻射枝條c的長度為33 mm，此長度為2.3 GHz頻點對應(yīng)的1/4波長.如果去掉輻射枝條c，天線的阻抗匹配在2.0～2.4 GHz和3.1～4.0 GHz頻段惡化.每個天線單元在其參考地面上對應(yīng)2個不同的耦合枝條，耦合枝條在天線中作用各有不同，具體影響可見圖4.從圖4可以看出，耦合枝條g1的功能是調(diào)節(jié)系統(tǒng)高頻部分的阻抗匹配，優(yōu)化系統(tǒng)的S參數(shù)； g2的功能是與輻射枝條產(chǎn)生耦合，形成一個電流路徑，從而影響低頻1.75 GHz和中頻2.5 GHz的諧振.上述枝條的功能對比列于表1.

圖3 不同輻射枝條的S參數(shù)與頻率的關(guān)系

圖4 不同耦合枝條的S參數(shù)與頻率的關(guān)系

表1 天線單元中不同枝條的功能對比

枝條長度/mm與1/4波長對應(yīng)的頻點/GHz控制頻段/ GHza213.63.4～4.0b253.01.65～1.90/2.8～3.5c332.32.0～2.4/3.1～4.0g18調(diào)節(jié)系統(tǒng)高頻部分的阻抗匹配g213影響低頻1.75 GHz和中頻2.5 GHz

天線單元不同頻點的電流分布如圖5所示.

圖5 天線單元不同頻點對應(yīng)的電流分布

從圖5可以看到，在1.9 GHz這一頻點電流主要集中在輻射枝條b，c和耦合枝條g2上，輻射枝條c可滿足1.9 GHz所需的電流路徑，而輻射枝條b和耦合枝條g2互相耦合共同影響1.9 GHz附近的頻段.從2.45 GHz這一頻點的電流圖上可發(fā)現(xiàn)，電流主要集中在輻射枝條b和c，說明輻射枝條b和c對中頻2.45 GHz影響較大.在3.6 GHz的電流圖中，電流主要集中在輻射枝條a，c和耦合枝條g1上，說明輻射枝條a，c和耦合枝條g1對高頻影響較大.

天線單元(3D-IFA)可在基板上自由轉(zhuǎn)動，但旋轉(zhuǎn)會改變天線單元的輻射特性.天線系統(tǒng)中，長邊上3個天線單元間的距離不同，這是由天線單元的輻射特性決定的.天線單元指向接地點方向的輻射較弱，而相反方向的輻射較強，所以把指向方向相反的2個天線單元(如天線單元2和3)放得很近.天線單元2在指向天線單元1的方向上輻射較強，為了滿足天線單元間隔離度的要求，將天線單元1和2間距設(shè)置較大.

MIMO天線系統(tǒng)仿真的隔離度曲線如圖6所示.從圖6可看出，在所需的工作頻帶內(nèi)，天線單元間隔離度均在10 dB以上，有的隔離度甚至在20 dB以上.這說明，該6單元的MIMO天線系統(tǒng)既有較寬的工作頻帶又有良好的隔離度.

圖6 MIMO天線系統(tǒng)仿真的隔離度曲線

2 實物測量及分析

制作好的實物照片如圖7所示，左右分別為天線系統(tǒng)的背面和正面.該天線系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)是采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(安捷倫85058E)測量得到的.

圖7 MIMO天線系統(tǒng)的實物圖

筆者提出的6單元MIMO天線系統(tǒng)仿真模擬和實際測量的回波損耗曲線如圖8所示.為了使圖8看起來更為簡潔，就沒有將其他3個天線單元的放在圖中.從圖8可知，該MIMO天線系統(tǒng)仿真模擬的回波損耗為-6 dB的頻帶范圍為1.66～4.39 GHz，實物實際測量的頻帶范圍為1.7～4.1 GHz.實測與仿真結(jié)果之間的差異是由加工誤差帶來的.仿真和實測結(jié)果均表明，筆者所提出的MIMO天線系統(tǒng)的工作頻帶可覆蓋PCS1900(1.85～1.99 GHz)，UMTS2100(1.92～2.17 GHz)，LTE2300(2.305～2.400 GHz)，LTE2500(2.50～2.69 GHz)，DCS1800(1.71～1.88 GHz)，2.4 GHz的ISM頻段，以及未來5G通信的LTE高頻段(3.4～3.8 GHz).

圖8 MIMO天線系統(tǒng)的回波損耗曲線

MIMO天線系統(tǒng)實物的隔離度測量結(jié)果如圖9所示，從圖9可以看出實際測量的天線單元間耦合度在-10 dB以下，這一點也與仿真結(jié)果相同，可見實測結(jié)果和仿真結(jié)果均表明該天線系統(tǒng)有良好的隔離度.

圖9 MIMO天線系統(tǒng)實物的隔離度測量結(jié)果

相關(guān)系數(shù)衡量的是天線單元間的相關(guān)性.相關(guān)系數(shù)的表達式為[14]

(1)

計算得到的MIMO天線系統(tǒng)的相關(guān)系數(shù)如圖10所示，其中相關(guān)系數(shù)的最大值只有0.08，遠小于4G通信標準所要求的極限值0.3.天線系統(tǒng)效率在整個工作頻帶上的變化范圍為64.4%～95%，此效率范圍完全滿足手持終端的要求.

圖10 MIMO天線系統(tǒng)的相關(guān)系數(shù)

圖11為天線單元的增益曲線.由于MIMO天線系統(tǒng)中的前3個天線單元與后3個對稱，所以在此只給出了前3個天線單元的增益曲線.由圖11可知，頻帶1.7～4.1 GHz內(nèi)，天線單元1的增益在1.77～4.97 dBi間變化，天線單元2的增益在1.58～3.01 dBi間變化，天線單元3的增益在1.3～4.53 dBi間變化.在較大的頻率范圍內(nèi)，天線單元2的增益小于天線單元1和 3，這是因為天線單元2位于中間，它的輻射會受到兩側(cè)鄰近天線單元的影響.

圖11 天線單元的增益曲線

采用Ansoft HFSS模擬仿真得到的MIMO天線系統(tǒng)各天線單元3維輻射圖如圖12所示，從圖12中可看到天線單元輻射模式的多樣性.

圖12 MIMO天線系統(tǒng)各天線單元的3維輻射圖

圖13為天線單元1仿真模擬和實物測量的方向圖.測量時，給天線單元1饋電，其他幾個天線單元均接上50 Ω的匹配負載.

圖13 天線單元1的方向圖

3 結(jié)束語

筆者提出了一款適用于移動終端的6單元MIMO天線系統(tǒng)，該系統(tǒng)由6個相同的3D-IFAs構(gòu)成.系統(tǒng)的-6 dB阻抗匹配頻帶為1.7～4.1 GHz，可以覆蓋PCS1900，UMTS2100，LTE2300，LTE2500，DCS1800，ISM，以及用于未來5G通信的LTE高頻段(3.4～3.8 GHz).仿真和測量結(jié)果均表明，在工作頻帶中，天線單元間的耦合度在-10 dB以下，天線單元間的相關(guān)系數(shù)小于0.3.良好的增益和輻射特性表明該天線系統(tǒng)在移動終端領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景.