用于移动终端的6单元MIMO天线系统设计

杨凌升，李 春，房建平，王友保

(南京信息工程大学 应用电磁学研究中心，江苏 南京 210044)

由于多输入多输出(MIMO)天线系统无须额外的辐射功率和频谱带宽就可提高整体数据传输速率[1]，因此广泛用于4G无线通信系统.通过研究发现，多径环境下随着发射和接收天线数目的增加，信道容量也增加[2].对于移动终端，由于设备可用空间受限，要求天线单元具有体积小、频带宽的特点，同时增益和辐射效率也要满足需求.此外，整个工作频带内，天线单元间耦合也要足够低，这些均给系统设计带来挑战.

用于移动通信终端的MIMO天线系统的报道陆续见于期刊，如一款由4/8贴片单元与互补开口谐振环构成的MIMO天线系统[3]，该系统可用于5 GHz的IEEE 802.11ac标准，它具有80 MHz的-6 dB阻抗匹配带宽.在一款3.5 GHz的平面倒F天线中，使用电容耦合元件后，MIMO天线系统可在3.4～3.6 GHz频段内实现-6 dB阻抗匹配，且单元间隔离度在10 dB以上[4].由微带线馈电的开槽天线构成的MIMO天线系统的-6 dB带宽为3.4～3.8 GHz，同时在全频带实现了10 dB以上的单元间隔离度[5].倒F型天线(IFA)构成的MIMO天线系统已广泛应用于天线系统[6].3D-IFA[7]作为倒F天线的一种，通过倒F天线单元的立体化，可有效实现天线Q值的降低和频带的增加[8-10].通过调整立体天线单元的放置方向，可实现辐射方向图分集[11-13].可见，3D-IFA适合构建移动终端的MIMO天线系统，因此笔者拟提出一款用于移动终端设备的6单元多输入多输出(MIMO)天线系统.

1 天线的设计

图1是6单元MIMO天线系统的仿真结构图(仿真模型由HFSS.15建立)，该MIMO天线系统由6个相同的3D-IFA构成，6个3D-IFA天线单元放在大小为150 mm×75 mm×0.8 mm的基板顶层，基板尺寸为5.8 inch智能手机的大小，基板材质为相对介电常数为4.4的FR4，底层是天线单元共同的参考地面.系统长边顶部和底部的板边均预留17.5 mm×75 mm的空间，以放置其他天线，满足LTE/WWAN/GPS等应用的需求.

图1 6单元MIMO天线系统的仿真结构图

图2为天线单元的详细结构图.如图2a所示，3D-IFA结构附着于FR4介质块的表面，黑色部分是环绕介质块的铜条，其中F和G分别是天线的馈电点和接地点.图2B为图2A的平面展开图，可以看出辐射枝条分别位于介质块的5个不同展开面(A，B，C，D，E)上.图2C为参考地面上耦合枝条g1和g2的结构，它们位于小介质块的正下方，与介质块上的辐射枝条耦合.

图2 天线单元的详细结构

天线单元辐射枝条和耦合枝条在天线中发挥不同的功能.不同辐射枝条S参数与频率的关系如图3所示.从图3可以看出，不同位置的辐射枝条对天线阻抗匹配的影响不同.辐射枝条a的长度为21 mm，此长度为3.6 GHz频点对应的1/4波长，如果去掉辐射枝条a，频段3.4～4.0 GHz就会消失.辐射枝条b的长度为25 mm，此长度为3.0 GHz频点对应的1/4波长.通过对比可以发现辐射枝条b影响的频段是1.65～1.9 GHz和2.8～3.5 GHz.辐射枝条c的长度为33 mm，此长度为2.3 GHz频点对应的1/4波长.如果去掉辐射枝条c，天线的阻抗匹配在2.0～2.4 GHz和3.1～4.0 GHz频段恶化.每个天线单元在其参考地面上对应2个不同的耦合枝条，耦合枝条在天线中作用各有不同，具体影响可见图4.从图4可以看出，耦合枝条g1的功能是调节系统高频部分的阻抗匹配，优化系统的S参数； g2的功能是与辐射枝条产生耦合，形成一个电流路径，从而影响低频1.75 GHz和中频2.5 GHz的谐振.上述枝条的功能对比列于表1.

图3 不同辐射枝条的S参数与频率的关系

图4 不同耦合枝条的S参数与频率的关系

表1 天线单元中不同枝条的功能对比

枝条长度/mm与1/4波长对应的频点/GHz控制频段/ GHza213.63.4～4.0b253.01.65～1.90/2.8～3.5c332.32.0～2.4/3.1～4.0g18调节系统高频部分的阻抗匹配g213影响低频1.75 GHz和中频2.5 GHz

天线单元不同频点的电流分布如图5所示.

图5 天线单元不同频点对应的电流分布

从图5可以看到，在1.9 GHz这一频点电流主要集中在辐射枝条b，c和耦合枝条g2上，辐射枝条c可满足1.9 GHz所需的电流路径，而辐射枝条b和耦合枝条g2互相耦合共同影响1.9 GHz附近的频段.从2.45 GHz这一频点的电流图上可发现，电流主要集中在辐射枝条b和c，说明辐射枝条b和c对中频2.45 GHz影响较大.在3.6 GHz的电流图中，电流主要集中在辐射枝条a，c和耦合枝条g1上，说明辐射枝条a，c和耦合枝条g1对高频影响较大.

天线单元(3D-IFA)可在基板上自由转动，但旋转会改变天线单元的辐射特性.天线系统中，长边上3个天线单元间的距离不同，这是由天线单元的辐射特性决定的.天线单元指向接地点方向的辐射较弱，而相反方向的辐射较强，所以把指向方向相反的2个天线单元(如天线单元2和3)放得很近.天线单元2在指向天线单元1的方向上辐射较强，为了满足天线单元间隔离度的要求，将天线单元1和2间距设置较大.

MIMO天线系统仿真的隔离度曲线如图6所示.从图6可看出，在所需的工作频带内，天线单元间隔离度均在10 dB以上，有的隔离度甚至在20 dB以上.这说明，该6单元的MIMO天线系统既有较宽的工作频带又有良好的隔离度.

图6 MIMO天线系统仿真的隔离度曲线

2 实物测量及分析

制作好的实物照片如图7所示，左右分别为天线系统的背面和正面.该天线系统的实测数据是采用矢量网络分析仪(安捷伦85058E)测量得到的.

图7 MIMO天线系统的实物图

笔者提出的6单元MIMO天线系统仿真模拟和实际测量的回波损耗曲线如图8所示.为了使图8看起来更为简洁，就没有将其他3个天线单元的放在图中.从图8可知，该MIMO天线系统仿真模拟的回波损耗为-6 dB的频带范围为1.66～4.39 GHz，实物实际测量的频带范围为1.7～4.1 GHz.实测与仿真结果之间的差异是由加工误差带来的.仿真和实测结果均表明，笔者所提出的MIMO天线系统的工作频带可覆盖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频段，以及未来5G通信的LTE高频段(3.4～3.8 GHz).

图8 MIMO天线系统的回波损耗曲线

MIMO天线系统实物的隔离度测量结果如图9所示，从图9可以看出实际测量的天线单元间耦合度在-10 dB以下，这一点也与仿真结果相同，可见实测结果和仿真结果均表明该天线系统有良好的隔离度.

图9 MIMO天线系统实物的隔离度测量结果

相关系数衡量的是天线单元间的相关性.相关系数的表达式为[14]

(1)

计算得到的MIMO天线系统的相关系数如图10所示，其中相关系数的最大值只有0.08，远小于4G通信标准所要求的极限值0.3.天线系统效率在整个工作频带上的变化范围为64.4%～95%，此效率范围完全满足手持终端的要求.

图10 MIMO天线系统的相关系数

图11为天线单元的增益曲线.由于MIMO天线系统中的前3个天线单元与后3个对称，所以在此只给出了前3个天线单元的增益曲线.由图11可知，频带1.7～4.1 GHz内，天线单元1的增益在1.77～4.97 dBi间变化，天线单元2的增益在1.58～3.01 dBi间变化，天线单元3的增益在1.3～4.53 dBi间变化.在较大的频率范围内，天线单元2的增益小于天线单元1和 3，这是因为天线单元2位于中间，它的辐射会受到两侧邻近天线单元的影响.

图11 天线单元的增益曲线

采用Ansoft HFSS模拟仿真得到的MIMO天线系统各天线单元3维辐射图如图12所示，从图12中可看到天线单元辐射模式的多样性.

图12 MIMO天线系统各天线单元的3维辐射图

图13为天线单元1仿真模拟和实物测量的方向图.测量时，给天线单元1馈电，其他几个天线单元均接上50 Ω的匹配负载.

图13 天线单元1的方向图

3 结束语

笔者提出了一款适用于移动终端的6单元MIMO天线系统，该系统由6个相同的3D-IFAs构成.系统的-6 dB阻抗匹配频带为1.7～4.1 GHz，可以覆盖PCS1900，UMTS2100，LTE2300，LTE2500，DCS1800，ISM，以及用于未来5G通信的LTE高频段(3.4～3.8 GHz).仿真和测量结果均表明，在工作频带中，天线单元间的耦合度在-10 dB以下，天线单元间的相关系数小于0.3.良好的增益和辐射特性表明该天线系统在移动终端领域有较好的应用前景.