一种新型双频宽带八单元5G手机天线设计

穆伟东, 杨 明, 王仲根, 李明忠 , 王 攀, 张家正

1.安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001 2.皖西学院 电子信息工程学院，安徽 六安 237012

1 引 言

相比4G通信系统，5G通信系统具有更高的数据传输率，更低的延迟和低功耗等优点。由于多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)技术可以传输庞大的数据流[1]，有效提高频谱利用率和信道容量[2]，因此被广泛应用于5G通信。2017年11月，中国工业和信息化部宣布划定3.3～3.6 GHz和4.8～5.0 GHz频段作为5G移动通信频段。所以为了满足5G通信标准，设计一款能覆盖3.5 GHz和4.9 GHz的双频段MIMO天线显得尤为重要。

近年来，应用于5G通信的天线设计被众多学者相继提出。文献[3]给出一种用于WRC 5G C波段(3.4～3.6 GHz)MIMO接入点的跨槽天线，但其结构较为复杂，且辐射单元距离地面较高。文献[4]设计的单极子天线和接地寄生线一起拓展了带宽，能覆盖5G的N77频段(3.3～4.2 GHz)，短截线的加入使天线结构固然显得新颖，但是天线单元数量仍有待增加。文献[5-6]提出的5G天线模块均由金属条和金属板开槽组成，结构较为简单，但只能覆盖3.4～3.6 GHz，存在频段单一的不足。为了实现天线单元之间的高隔离度，各种去耦技术也应运而生，如使用不同的馈电结构[7]、添加新的耦合路径[8-9]、在天线单元之间使用中和线[10-11]、有缺陷的接地结构[12-14]以及极化分集[15]等。上述天线虽然有效地解决了隔离度的问题，但是还存在频带单一或结构复杂等方面的缺点。

采用金属板开槽的方法，设计了一款八单元、双频段的MIMO天线，天线由左右对称的8个U型单元(Ant1至Ant8)组成。天线由50 Ω同轴线从底部馈电，用于激励两臂的天线贴片覆盖5G的3.3～3.6 GHz和4.8～5.0 GHz双频段。天线单元通过在基板底部开槽的方式，通过改变电流的路径，一方面实现了目标频率的覆盖，另一方面有效地遏制了电流传输，提高了天线单元之间的隔离度，而不需要额外的去耦结构。通过三维电磁仿真软件HFSS优化和实测，得出天线可覆盖目标频段，各端口之间隔离度优于13.6 dB，包络相关系数小于0.08。与传统天线相比，设计的天线具有结构简单、频带宽、隔离度好的优点。

2 MIMO天线设计与分析

2.1 天线结构与单元设计

图1(a)为设计的双频段八单元MIMO天线系统透视图,图1(b)为单元详细结构与尺寸(以Ant1为例)。天线地板尺寸为150 mm×75 mm，介质基板选用厚度为0.4 mm的FR4材质(相对介电常数εr=4.4，介质损耗正切角tanθ=0.02)。相比于其他天线[16-17]，天线厚度更薄，适用于现在流行的5.7英寸的智能手机。每个天线单元通过中间的馈点馈电，被分为两条L型的金属谐振枝条。L1长度为3.6 mm，L2长度为1.8 mm，分别激发3.5 GHz和4.9 GHz两种谐振模式。

(a) 八单元MIMO天线系统透视图

2.2 天线结构分析

在所提出的天线结构中，加载在基板表面的“U”型单元用于产生谐振模式，从而起到向外辐射能量的作用。为了使提出的天线单元能覆盖目标频段，在基板底部的金属板上又刻蚀了若干的矩形槽。为了更加清楚地了解刻蚀矩形槽的作用，图2给出了在同一天线单元下(以Ant1为例)，有无刻蚀槽的S参数。从图2可以看出，在无槽的情况下，天线单元在3～5.5 GHz时，无谐振模式的产生，阻抗匹配性能表现极差。相反，通过在金属板(地板)上挖槽，从而改变金属板上的电流分布，单元的阻抗匹配性能发生了很大程度上的改变，在3.5 GHz和4.9 GHz产生谐振，且谐振模式相对独立，阻抗匹配性能良好。

图2 有无槽时的S参数Fig.2 S-parameter with or without slots

刻蚀的槽1和槽2分别刻蚀在3.5 GHz和4.9 GHz辐射单元下，使两种辐射模式相对独立。槽1与槽2对天线单元性能有着重要的作用，槽1的和槽2的宽度又是影响天线单元反射系数的重要参数。以下主要对槽1宽度S1和槽2宽度S2两个参数进行了优化分析。图3和图4分别是对S1和S2参数扫描后的S参数曲线图。从图3可以看出，S1对低频段和高频段的S参数都有影响。随着S1参数的增大，低频段的谐振频率向左移，但S参数的最值相差不大，而高频段的阻抗匹配性能在逐渐变好，也就是带宽在增加。由于S1在2.2 mm时，能完整覆盖3.3～3.6 GHz和4.8～5.0 GHz，故优化后选取此值。另一方面，从图4可以看出，此时两种谐振模式相对独立，S2对高频段有影响，而基本上对低频段无影响。当S2参数由2.2 mm增加至2.4 mm时，低频段保持原先的S参数，高频段的谐振频率向左偏移，S参数仅发生微小的改变，这是由于此时槽1的电流基本上沿基板一侧分布，高频段受来自槽1的电流影响很小。综合分析，选取S2=2.3 mm为优化后的参数值。

图3 S1对S参数的影响Fig.3 Effect of S1 on S parameter

图4 S2对S参数的影响Fig.4 Effect of S2 on S parameter

3 结果分析

制作出的MIMO天线系统实物如图5所示。借助电磁仿真软件ANSYS Electronics Desktop2018.2，对系统的相关参数进行了仿真，同时借助矢量网络分析仪对其S参数进行了测试。其相关的远场结果在微波暗室中测量完成。

图5 八单元MIMO天线系统实物图Fig.5 Physical images of eight-element MIMO antenna system

3.1 性能分析

图6给出了天线单元仿真和测试的反射系数。由于镜像对称的天线具有相同的S参数，所以只展示Ant1/2/3/4的结果。测试结果表明：在目标频段内，Ant1/2/3/4的反射系数Sii(i=1，2，3，4)均在-6 dB以下，尤其在4.8～5.0 GHz范围内，S参数小于-10 dB，实现了良好的阻抗匹配。如图7所示，传输系数均在-13.6 dB以下，说明各端口之间实现了良好的隔离度。Ant1至Ant4仿真得到的辐射效率如图8所示，从结果可以看出，天线效率均在67%以上，具有良好的复用性能。

图6 天线单元反射系数Fig.6 Reflection cofficients of antenna element

图7 天线单元传输系数Fig.7 Transmission coefficients of antenna element

图8 辐射效率Fig.8 Radiation effcicency

包络相关系数(ECC)是MIMO天线性能的重要参数之一。图9为仿真计算得到的包络相关系数。从图9可以看出，在目标频段内，天线单元间的ECC最大值低于0.08，符合5G MIMO的操作标准(ECC<0.5)[18]。可见，设计的天线表现出了优良的空间分集特性。

图9 包络相关系数Fig.9 Envelope correlation coefficients

图10和图11分别给出了在谐振模式下Ant1～Ant4的辐射方向图，从辐射结果可以看出，在3.5 GHz和4.9 GHz下，Ant1～Ant4的E-plane(xoz面)辐射形状大致相似，变化平缓，最大峰值出现在270 °附近。而Ant1～Ant4的H-plane(yoz面)辐射方向图各有差异，但可基本实现全向辐射。由于天线对称排列，对称单元辐射方向互补，所设计的天线具有良好的方向性和极化特性，能满足通信要求。

(a) Ant1

(a) Ant1 (b) Ant2

3.2 单手操作模式性能分析

给出了常见的单手操作模式对天线的性能影响分析。单手操作模式如图12所示，图13给出了反射系数和传输系数的仿真结果。如图13(a)所示，较未接触时的情形而言，一些手指接触的天线单元(Ant1，Ant2，Ant5)，其谐振频率发生了左移，且它们的反射系数发生了恶化，带宽也变窄了一些，但仍然可以覆盖目标频段，未被接触的天线单元仍保持良好的阻抗匹配性能。如图13(b)所示，由于人体组织的干预，天线单元之间的传输系数较未接触时减小了些，说明隔离度有所提高。同时，由于人体组织能吸收一定能量的电磁波，所以对各单元效率的影响往往会更加突出。图14给出了在单手持手机时，天线单元辐射效率的仿真结果。从图14可以看出，由于Ant1，Ant2和Ant5被拇指或手掌接触，它们的效率平均下降了约30%，最高频率也只在54%左右。其他天线单元的效率也下降了约10%，即使这样，也能满足5G的通信需求。综合分析，该MMO天线在单手操作模式下依然可以保持良好工作性能，具有较高的抗干扰能力。

图12 单手操作模式Fig.12 Single-handed operation mode

(a) 单手操作模式反射系数

图14 单手操作模式天线辐射效率

3.3 性能对比

为了进一步阐明提出的MIMO天线系统的特点，表1将所提出的MIMO天线系统与部分已提出的天线系统进行性能对比。从表1可以看出:提出的天线在带宽，隔离度上有优势，在效率和ECC参数上也表现良好。设计的MIMO天线系统将会是应用于5G通信的良好参照物。

表1 天线性能比较

4 结 论

设计了一种用于5G智能手机的八单元、双频段MIMO天线。通过金属板开槽的方法，覆盖了5G的3.3～3.6 GHz和4.8～5.0 GHz两个频段，不需要其他额外的去耦结构就可实现单元间的隔离度优于13.6 dB，包络相关系数低于0.08，同时天线辐射效率在67%附近。测试结果表明，天线具有体积小、隔离度高、结构简单等优点，可以满足5G手机天线通信的需求。