小型化MIMO技术的5G手机天线设计

2021-11-17安徽理工大学电气与信息工程学院张家正尤宝林王小虎

电子世界 2021年20期

安徽理工大学电气与信息工程学院张家正尤宝林王小虎李健

5G的迅速发展使得手机的5G通信需求上升，5G手机的销售量和5G相关的应用在爆发式增长，在无线通信中，要实现电信号与电磁波相互转换的功能，就离不开天线。所以本文设计一款适用于手机5G通信需求的天线，在迎合了手机尺寸越做越小的大前提下，也能带来通信方面的性能需求。

第五代移动通信（Fifth－generation，5G）已全面进入商业化，以成倍提升的数据传输速率和零时延的用户体验满足了人们对通信速度与效率的需求。因此，小型化、多频段、超宽带天线的设计对于移动设备的发展有着重要的意义。目前5G通信方面存在的问题是传输短，绕射差，天气因素影响大各种缺点，在这里MIMO技术的引用十分有必要。根据现有关于MIMO技术有关研究的应用，本文设计了一种5G的MIMO技术的手机天线，在小型化的前提条件下实现了5G频段的覆盖，所以这款天线不仅有效的增加信道的传输容量，还有有效的压缩了手机内部天线的空间，满足了现行的通信环境需要天线实现的更高频率，和更宽频宽的要求。但是最近几年，手机的设计逐渐偏向于金属的加持，受到了消费者的喜爱。虽然机身加固了，却导致天线的性能受到了很大的影响。因此需要对天线进行新的设计，这里本文提出了一种基于金属外壳的双频段5G手机天线的设计方案。采用了多种技术，实现金属外壳结构手机天线的5G频段覆盖。

1 天线结构设计

从基本的电磁理论出发的情况下，对天线提出可5G双频段通信和尺寸小型化的需求，在“Chu极限”的前提结论下，利用曲流技术，加载技术，可重构技术实现天线的小型化设计，与此同时也可以实现天线多频段覆盖。由于5G需要足够的带宽，速率和低延时，所以MIMO技术也是本天线设计的重点，由于天线本身的带宽较小，多输入多输出技术可以有效的利用频谱资源，原理是利用空域编码把信息分成M个子流，再用M个天线发射出去，以此来实现信号收发，避免出现严重的多径衰落效应。本天线以FR-4材料做为基板，在基板周围贴有理想导体的10个天线，基板相对介电常数为4.4，损耗正切为0.02。为了以此材料模拟手机的尺寸，本文将介质板设计成长为80mm，宽为150mm，高为0.8mm的长方体，该形状相仿于手机，图1中给出了具体的尺寸大小。将10个5G天线模块在介质板上对称式放置，150mm边上放置每边放置3个天线，其中两个同向放置，另一个反向180°放置。80mm上每边放置2个天线，还在每个天线下方放置了两个矩形的介质槽空间来用于提高天线的对外辐射，图2给出了具体的尺寸为16.5mm×2.5mm和0.5m×0.5mm，图1中L1为10mm，L2为5.5mm。150mm边上的天线到另一侧边的距离分别为28.5mm，70.8mm，116mm。并且Ant9和Ant4在图中与Ant2，Ant3，Ant7，Ant8为Y轴上的镜像关系，Ant1和Ant5与图中的Ant6与Ant10为X轴上的镜像关系，这种设计可以提高天线的辐射范围。该天线全部都应用50Ω同轴馈电方式，为了便于50Ω的SMA接头从板内馈电，该十个天线单元的贴合面与馈电线在介质板中间穿孔输入，这样可以保证输电的稳定性。本天线为L型的单极子天线，天线位置决定了隔离度，通过仿真优化后设置L长度3.5m，A端的宽度为1.5mm。天线的设计目标是实现5G的通信需求，目标覆盖频段为3300-3400MHz和4800-5000MHz。

图1 天线尺寸图

图2 每个单元尺

2 天线的性能分析

用来描述天线工作性能的参数叫做天线电参数，是天线性能的衡量标准和尺度。比如输入阻抗、S参数、驻波比、方向图、增益、效率等。图2中该天线的L处长度为3.5mm，位于A处的红点是馈电点，馈电电缆半径为0.2mm。本MIMO天线是由10个L型单极子天线对称式分布，图3是仿真出的S11参数图，图中测量结果基本符合目标的覆盖频段，在回波损耗小于-10dB时的相对带宽约为6%(3267～3459MHz)和8%(4852～5279MHz)，5G的通信频段为3300-3400MHz和4800-5000MHz。