应用于LTE及5G通信四单元MIMO手持终端天线

王 飞，程铋峪,2

1.安徽邮电职业技术学院计算机系,合肥 230031；2.南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京,210044

单极子天线、平面倒F天线以及倒L天线因其结构紧凑、体积小，易于制作而广泛应用于2G/3G移动用户手持终端中。其中，文献[1]中提出基于手持终端天线模型的设计理念，最后运用该设计理念设计了三种立体三维结构的折叠单极子天线。近期，工业和信息化部发布了关于第五代移动通信(5G)频谱的意见[2]，随着LTE以及5G通信的不断建设与发展，MIMO技术将显得尤为重要。该技术作为现代无线通信的关键技术之一，通过增加发射天线以及接收天线的数量可以改善通信质量以及提高信道容量而不需要额外的提高发射天线发射功率或者增加频谱带宽。但随着天线数量增加，天线单元与单元之间将会变得越来越紧凑，这将导致天线之间的隔离度变差，因此如何改善天线单元间的隔离度使其隔离度高于10 dB已成为MIMO天线设计领域中的一个新挑战[3]。文献[3]中，通过在天线单元之间使用中和线的方法来提高隔离度。文献[4-5]中，通过在两天线单元之间的地板上开槽，其中开槽长度约为半个波长，来改善隔离效果。文献[6]中，在天线单元间放置一块矩形金属贴片，通过在贴片上产生的电流路径来提高天线间的隔离度。

相比于文献[7-8]所设计的MIMO天线系统，本文根据工信部最新发布的5G频谱的意见[2]，提出了一种四单元MIMO天线系统。该天线具有300 MHz(3 300～3 600 MHz)的-10 dB标准下的阻抗带宽，可以覆盖LTE band 42(3 400～3 600 MHz)以及5G通信系统(3 300～3 600 MHz)频谱，单元尺寸仅为5 mm×5 mm×3mm，同时该天线的隔离度、相关系数、增益、辐射效率等参数表明其可以较好地应用于当前的无线通信系统。

1 天线设计

该MIMO天线系统采用相对介电常数为4.4，电损耗正切为0.02的FR4介质基板。基板的整体尺寸为136 mm×68.8 mm×1 mm。图1(a)所示为MIMO天线系统整体示意图，介质基板的四个顶角分别放置着尺寸为5 mm×5 mm×3 mm的四个尺寸与结构完全相同的立体倒F天线分别折叠在四个FR4支撑体上。图1(b)所示为倒F天线折叠在立方体的FR4支撑上(为了突出天线结构，立方体支撑在图中已隐藏)，为了改善天线的阻抗匹配性能，在天线的地平面中除去了一块梯形区域，起到了改善匹配的效果。其中天线单元的馈电端口在高频结构仿真器中(HFSS Ver.15)设置成矩形区域，其宽度为1 mm，高度为介质基板的厚度，即为1 mm，并通过传输线连接至折叠倒F天线单元上。

为了获得覆盖LTE 3400及5G通信且超过300 MHz的-10dB标准下的阻抗带宽，本文所设计的立体倒F天线具有两条电流路径，分别为如图1(b)中的立方体介质支撑的上部顶端的L形路径以及立方体介质支撑的左侧，后侧以及右侧枝条相连接所构成的L形路径。该天线单元两条路径的电尺寸约为谐振频点处3 400 MHz的四分之一介质波长的长度，因此该天线利用两条电流路径来扩展带宽。

为了获取设计频段处天线的电长度，可以通过以下2个公式计算：

(1)

(2)

式中εr为FR4介质材料的相对介电常数，εeff为FR4材料与空气材料均匀混合以后材料的有效介电常数。经过公式计算，两条L形路径长度约为3 400 MHz频点处四分之一介质波长的长度。

图1 天线结构示意图

如图2所示，用1#天线单元举例说明天线单元的谐振点分别随着两条路径长短的改变而变化。其中图2(a)为第一条L形路径的参数分析，其中扫描参数长度设为L1；图2(b)为第二条L形路径的参数分析，其中扫描参数设为L2；通过参数扫描分析表明：天线谐振点会随着第一条路径的增长而往低频移动，同样天线谐振点也会随着第二条路径的增长而往低频移动。

图2 L1及L2对天线谐振点的分析

对1#天线表面电流进行分析，图3所示为1#天线在3 400 MHz时候的表面电流分布。进一步验证得出该天线的电流路径1以及电流路径2的电长度约为四分之一个介质波长的长度，两条电流路径共同作用较好地改善了阻抗匹配。

图3 天线在3 400 MHz处表面电流分布

2 仿真与讨论

图4 天线单元S参数(HFSS)

所设计的四单元MIMO手持终端天线，分别通过高频结构仿真器(HFSS Ver.15)以及CST微波工作室(CST MWS Ver.2015)进行仿真分析。图4为通过HFSS仿真分析的该系统各天线单元的S参数曲线，分别为S11～S44，四条曲线接近重合，图5为通过CST仿真分析的该系统各天线单元的S参数曲线，同样为S11～S44，由于MIMO系统各天线单元结构相同，因此，由CST仿真分析得到的S11～S44四条曲线重合于一条曲线中。分析表明该天线在-10 dB标准的阻抗带宽下具有超过300 MHz的带宽，可以覆盖LTE系统band 42(3 400～3 600 MHz)以及工信部近期提出5G通信的3 300～3 600 MHz频段。

图6所示为天线单元之间的隔离度，可知该MIMO天线系统在没有引入任何去耦结构的情况下具有较高的隔离度。

图5 天线单元S参数(CST) 图6 MIMO天线系统单元间隔离度

根据文献[9]中公式即可从已知的单元间S参数来计算出天线单元间的相关系数。

图7即根据公式所得出的该MIMO天线系统单元间的相关系数，可知在覆盖频段内该系统的相关系数小于0.3。

图7 MIMO天线系统单元间相关系数

图8 天线单元增益

该天线系统采用四个尺寸与结构完全相同的天线单元，且关于xz与yz平面对称，因此图8给出了1#天线单元以及2#天线单元的增益曲线，图9给出了1#天线单元以及2#天线单元的辐射效率曲线。图8所示，1#天线单元增益范围为3.10～3.23 dBi，在3.52 GHz频点处达到最大值；2#天线增益范围为3.12～3.26 dBi，在3.53 GHz频点处达到最大值。图9所示，在整个覆盖频带内天线具有较高的辐射效率，天线最大辐射效率可以达到80%以上。

图9 天线单元辐射效率

图10所示为天线单元在3 400 MHz处xoz、yoz面方向图，其中图10(a)为1#天线单元方向图，图10(b)为2#天线单元方向图。

最后为了验证该天线系统的实用性以及可实现性，将机身外壳也考虑在内，如图11所示，将该MIMO天线系统放置于1 mm厚度的塑料手机外壳中进行分析[10]，其中手机外壳的相对介电常数为3.3，电损耗正切为0.02。图12(a)为连同手机外壳仿真后的覆盖结果，此时天线覆盖频段为3 150～3 500MHz，但仍然可以保持300 MHz以上的频谱带宽。因此，MIMO天线系统在后期实际生产加工中增加的附加组件例如手机外壳时，覆盖频段出现了往低频偏移的情况，对于这种情况依旧可以采取参数优化的方法，使其覆盖目标频段。如图12(b)所示，对两条L形路径的参数L1以及L2参数优化，当L1为1 mm，L2为3 mm时，连同手机外壳仿真其覆盖频段可以覆盖3 300～3 600 MHz。通过该项分析表明该MIMO天线系统具有很好的实用性以及可实现性。

图10 天线在3.4 GHz的辐射方向图

图11 天线系统与手机外壳示意图

图12 实用性以及可实现性分析

3 结 论

MIMO系统具有在不增加信道带宽以及发射机发射功率的前提下显著提高系统容量的优点，因此MIMO技术将会成为4G/5G通信系统的关键技术之一。本文就此提出一种应用于LTE 3400以及5G通信的四单元MIMO手持终端天线系统。该MIMO天线系统具有尺寸小、覆盖频段宽、增益较高以及良好的辐射效率，同时经过分析表明该系统具有很好的实用性及可实现性。因此，该MIMO天线系统在LTE以及5G通信领域具有广阔的应用前景。