一种适用于5G智能终端的新型自解耦天线对

袁 军，肖 疆，肖 刘，尚新文，易红霞，李 飞，金 锋

（1.中国科学院空天信息创新研究院，北京 100190；2.中国科学院大学 电子电气与通信工程学院，北京 100049；3.是德科技（中国）有限公司，北京 100020）

0 引言

近年来，多输入多输出（MIMO）技术被广泛应用于4G与5G移动通信系统中，它可以成倍地提高通信系统的容量[1]。然而，天线数目的增多和空间的限制，导致天线单元之间的物理距离被压缩，使天线之间产生较强的电磁耦合和干扰，进而导致无线系统性能损失[2]。因此，提高智能设备上天线之间的隔离度是问题的关键。近些年，不断有新的设计方案被提出：在文献[3-5]中，利用多馈技术和扼流槽组成了高隔离度的多天线系统；文献[6]利用电流的正交模式实现了超高的隔离度；文献[7]通过结合低频段的正交单极/偶极模式和高频段的正交开槽模式，实现了宽带的解耦特性；文献[8]基于模式抵消法提出了一种耦合环结构的集成MIMO天线，实现了自解耦。但这些方案在实际应用时，依然面临着破坏金属地、效率不高或者对净空要求高的问题，难以满足当前5G智能设备天线设计的需要。

因此，本文提出了一种适合5G智能终端的自解耦天线对，由其组成、实现的4×4 MIMO天线方案净空仅仅1 mm。仿真结果表明：该自解耦天线对在3.4～3.6 GHz频段上的隔离度大于19 dB，由其组成的4×4 MIMO系统在各端口间的隔离性能在3.4～3.6 GHz频段上优于16.7 dB，ECC＜0.022；系统仿真的总效率达到88%～94%。

1 天线结构与设计

1.1 天线对设计

自解耦天线对是组成MIMO天线系统的基本部分，其具体参数如图1所示。该自耦合天线对印刷在一块80 mm×40 mm×0.8 mm的FR-4介质基板的上表面，其下放置一块80 mm×30 mm的金属接地板。

图1 自解耦天线对结构

1.2 4×4 MIMO天线对系统

利用两个天线对组成了4×4 MIMO天线系统。考虑到“全面屏”“瀑布屏”等新的工业设计将导致天线的设计空间被压缩，所以把天线布置到侧面，净空仅仅1 mm。对天线对进行参数调整后，得到的具体参数如图2所示。

图2中，L0为69.8 mm，金属印刷面积为150 mm×68 mm。考虑到目前智能设备多天线系统的实现难度和发展现状，将优先考虑4×4 MIMO系统，接下来的仿真也将贯彻这一想法。

图2 MIMO天线系统具体参数

2 仿真结果与对比分析

2.1 天线对的仿真结果

在全波电磁仿真环境中按照图1中的模型进行建模仿真，得到自解耦天线对的仿真结果如图3所示。

图3 自解耦天线对仿真结果

从图3可以看出，在3.4～3.6 GHz内，该天线对的隔离度优于19 dB，S11和S22优于11 dB。

2.2 4×4 MIMO天线系统仿真结果

为了评估MIMO天线对的分集性能，通过模拟辐射远场计算ECC的公式为：

其中：

式中：Eθ,i和Eφ,i是端口i分别在仰角和方位平面上的复电场；ρe代表包络相关系数（ECC）；“*”是共轭算子。

在全波电磁仿真环境中按照图2中的参数进行建模，并且选择其中2个天线对进行仿真，其不同排布方式如图4所示。得到4×4 MIMO天线系统的仿真结果如图5所示。

图4 不同排布方式的4×4 MIMO天线系统

从图5可以看出：排布方式1组成的4×4 MIMO天线系统在3.4～3.6 GHz的频率范围内隔离度优于16.7 dB，反射系数优于12 dB，ECC低于0.022，总效率达到88%～94%；排布方式3组成的4×4 MIMO天线系统的隔离性能在3.4～3.6 GHz的频率范围内优于16.3 dB，反射系数均优于12 dB，各个端口的ECC均小于0.02，总效率达到88%～93%；排布方式2在3.4～3.6 GHz频带内隔离性能优于13 dB，反射系数均优于11.5 dB，各个端口的ECC均小于0.025，总效率达到79%～87%。

图5 4×4 MIMO天线系统的仿真结果

2.3 结果分析与比较

为了突出所提出的自解耦天线对的优点，本文将排布方式1的MIMO天线系统与其他方案进行比较，如表1所示。

由表1可见，本文提出的方案在隔离度、反射系数和ECC方面拥有优势。不同于需要在地板开槽的方案，本文提出的方案结构简单，具有自解耦属性。更重要的是，本文提出的方案净空仅仅1 mm，考虑到智能终端天线设计的空间不断被压缩的现状，本文的方案更具可实现性。

表1 不同方案的比较

综上，本文提出的自解耦天线对在智能终端领域拥有很大的应用潜力。

3 结语

本文提出了一种简单的自解耦MIMO天线对，对于由该自解耦天线对组成的4×4 MIMO系统，净空区仅仅占有1 mm。仿真结果表明，4×4 MIMO系统各端口在3.4～3.6 GHz频段内的隔离度能达到16.7 dB以上。本文提出的天线位于侧面边框，符合全面屏智能手机天线的设计，以小净空为前提满足端口隔离度，可实现较好的分集性能，且天线无需额外的解耦电路，适合于当今的智能手机。