《電子技術(shù)應(yīng)用》
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面向5G高隔離度4單元MIMO手機(jī)天線(xiàn)設(shè)計(jì)
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
周 凱1，王睿喬1，趙志恒2
1.哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001；2.中國(guó)科學(xué)院光電研究院，北京100004
摘要： 設(shè)計(jì)了一個(gè)4單元高隔離度手機(jī)天線(xiàn)，由4個(gè)輻射單元組成，輻射單元分別位于天線(xiàn)的4個(gè)角落。對(duì)天線(xiàn)輻射單元進(jìn)行分析測(cè)試，測(cè)量天線(xiàn)輻射單元工作頻段為3.43 GHz～3.86 GHz，覆蓋5G移動(dòng)通信測(cè)試頻段。MIMO天線(xiàn)工作頻段在端口回波損耗小于-10 dB阻抗帶寬條件下，工作頻段為3.45 GHz～3.64 GHz；在端口回波損耗小于-6 dB阻抗帶寬條件下，天線(xiàn)工作頻段為3.23 GHz～3.96 GHz。新設(shè)計(jì)的圓形開(kāi)槽結(jié)構(gòu)能減少天線(xiàn)和電子元器件耦合，并且天線(xiàn)具有良好的全向性和輻射特性。MIMO天線(xiàn)在3.2 GHz～4 GHz頻率內(nèi)，天線(xiàn)輻射效率為65%～73.4%。仿真表明，腦部輻射SAR(Specific Absorption Rate)參數(shù)小于1.6 W/kg，天線(xiàn)對(duì)人體影響較低。
中圖分類(lèi)號(hào)： TN823
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190800
中文引用格式： 周凱，王睿喬，趙志恒. 面向5G高隔離度4單元MIMO手機(jī)天線(xiàn)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(11)：1-5，9.
英文引用格式： Zhou Kai，Wang Ruiqiao，Zhao Zhiheng. Design for 5G high isolation four-element MIMO mobile antenna[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(11)：1-5，9.
Design for 5G high isolation four-element MIMO mobile antenna
Zhou Kai1，Wang Ruiqiao1，Zhao Zhiheng2
1.School of Information and Communication Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China； 2.China Academy of Sciences Institute of Optoelectronics，Beijing 100004，China
Abstract： In this paper, the four-unit high-isolation mobile phone antenna is composed of four radiating elements, and the radiating elements are located at four corners of the antenna. The antenna radiating unit is analyzed and tested, and the operating frequency band of the antenna radiating unit is measured from 3.43 GHz to 3.86 GHz, covering the 5G mobile communication test frequency band. The working frequency band of the MIMO antenna is 3.45 GHz～3.64 GHz under the condition that the port return loss is less than -10 dB impedance bandwidth, and the antenna working frequency band is 3.23 GHz～3.96 GHz under the condition that the port return loss is less than -6 dB impedance bandwidth. The newly designed circular slotted structure reduces the coupling of antennas and electronic components, and the antenna has good omnidirectional and radiative characteristics. The MIMO antenna has a radiation efficiency of 65%～73.4% at 3.2 GHz to 4 GHz. The simulated brain radiation SAR(specific absorption rate) parameters are less than 1.6 W/kg, and the antenna has a low impact on the human body.
Key words : 5G mobile communication；MIMO antenna；high isolation；omnidirectional characteristic；radiation efficiency

0 引言

    MIMO無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)是指在發(fā)射端和接收端使用多個(gè)發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)進(jìn)行信號(hào)的傳輸和接收，改善整體通信質(zhì)量[1]。目前，MIMO系統(tǒng)在4G通信中應(yīng)用已經(jīng)十分成熟，并且MIMO技術(shù)是下一代5G通信發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)[2]。5G通信頻段主要分為Sub-6 GHz和高頻毫米波。Sub-6 GHz測(cè)試頻段為2.5 GHz～2.675 GHz、3.4 GHz～3.8 GHz和4.8 GHz～4.9 GHz。國(guó)內(nèi)5G正處于測(cè)試當(dāng)中，電信運(yùn)營(yíng)商測(cè)試頻段為3.4 GHz～3.5 GHz，聯(lián)通運(yùn)營(yíng)商測(cè)試頻段3.5 GHz～3.6 GHz[3]。

    MIMO天線(xiàn)主要測(cè)試指標(biāo)為耦合隔離度、工作頻段、輻射效率、天線(xiàn)增益和SAR等。本文設(shè)計(jì)天線(xiàn)具有輻射全向性和良好的輻射效率。目前5G天線(xiàn)設(shè)計(jì)相關(guān)文獻(xiàn)(如文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]等)都沒(méi)有對(duì)天線(xiàn)隔離度和凈空區(qū)域進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)和分析。本文在此基礎(chǔ)上合理留出凈空區(qū)域，并且設(shè)計(jì)圓形開(kāi)槽結(jié)構(gòu)可以有效地降低天線(xiàn)與電子元器件耦合。天線(xiàn)在實(shí)際加工中更加靈活，可采用電印刷技術(shù)、刻蝕技術(shù)和LDS技術(shù)加工等[7]。

1 MIMO天線(xiàn)單元的設(shè)計(jì)

    MIMO天線(xiàn)輻射單元加工和測(cè)試是十分重要的。每個(gè)輻射單元具有良好的輻射特性，MIMO天線(xiàn)才會(huì)具有一個(gè)良好的輻射性能和輻射效率。本文天線(xiàn)輻射單元的介質(zhì)板選用FR-4基板，介電常數(shù)為4.4。天線(xiàn)介質(zhì)基板尺寸為30 mm×30 mm×1.5 mm。天線(xiàn)鍍銅的厚度為0.1 mm，天線(xiàn)底部為環(huán)形開(kāi)槽結(jié)構(gòu)，開(kāi)槽縫隙為0.5 mm。天線(xiàn)正面為微帶線(xiàn)結(jié)構(gòu)和圓形開(kāi)槽結(jié)構(gòu)。通過(guò)50 Ω SMA接頭對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行連接。圖1為天線(xiàn)輻射單元仿真結(jié)構(gòu)圖，表1為天線(xiàn)尺寸參數(shù)。本文應(yīng)用軟件HFSS來(lái)進(jìn)行仿真，相比于其他的仿真軟件(如CST、FEKO、FDTD和XFDTD等)，HFSS對(duì)于小尺寸窄帶天線(xiàn)仿真更加準(zhǔn)確。 

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    天線(xiàn)模型進(jìn)行實(shí)際測(cè)試加工，加工方案采用電印刷方式，圖2為天線(xiàn)加工實(shí)物圖。

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    天線(xiàn)單元通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量S11(回波損耗)參數(shù)，圖3為測(cè)量天線(xiàn)S11參數(shù)和仿真S11參數(shù)對(duì)比圖。S11<-10 dB阻抗帶寬，工作頻段為3.43 GHz～3.86 GHz。S11<-6 dB阻抗帶寬，工作頻段為3.29 GHz～4.06 GHz。工作頻段帶寬滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

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    通過(guò)暗室測(cè)試其方向圖，并判斷其輻射特性是否為全向性天線(xiàn)[8]。圖4為天線(xiàn)在3.55 GHz頻率下的測(cè)量方向圖和仿真圖對(duì)比。

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    從仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果來(lái)看，測(cè)量結(jié)果沒(méi)有發(fā)生畸變，在E面輻射呈啞鈴型分布，覆蓋到天線(xiàn)整個(gè)單元介質(zhì)基板。H面為全向輻射特性。整體天線(xiàn)輻射單元呈現(xiàn)了良好的輻射特性，滿(mǎn)足MIMO天線(xiàn)對(duì)天線(xiàn)輻射單元設(shè)計(jì)的需求。天線(xiàn)輻射效率是衡量天線(xiàn)是否可用的重要指標(biāo)，在測(cè)試天線(xiàn)輻射效率中天線(xiàn)測(cè)量一般分為外置測(cè)試和內(nèi)置測(cè)試。外置測(cè)試一般要求輻射效率達(dá)到55%～85%左右，內(nèi)部測(cè)試要求達(dá)到20%～55%左右。圖5為天線(xiàn)輻射單元輻射效率測(cè)試圖。

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    通過(guò)暗室進(jìn)行測(cè)量，外置測(cè)試條件下天線(xiàn)最高輻射效率能達(dá)到70.8%，最低為57.6%。本文設(shè)計(jì)天線(xiàn)單元的輻射效率滿(mǎn)足工程應(yīng)用指標(biāo)。天線(xiàn)單元具有良好的輻射特性。

2 MIMO天線(xiàn)仿真加工設(shè)計(jì)

    MIMO天線(xiàn)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是需要天線(xiàn)具有良好的隔離度，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意天線(xiàn)插入損耗和相關(guān)包絡(luò)系數(shù)等指標(biāo)。相關(guān)包絡(luò)系數(shù)(Envelop Correlation Coefficient，ECC)代表不同的天線(xiàn)單元間接收信號(hào)幅度之間的相關(guān)性，是衡量MIMO多天線(xiàn)系統(tǒng)分集性能和耦合性能的參數(shù)指標(biāo)。對(duì)于MIMO手機(jī)天線(xiàn)，要求ECC在主天線(xiàn)低頻段小于0.5，在高頻段要小于0.4。該值越小代表的分集增益越大。近幾年來(lái)出現(xiàn)了很多種計(jì)算相關(guān)系數(shù)的方法[9]，利用天線(xiàn)電路中所測(cè)得的S參數(shù)來(lái)計(jì)算其ECC[10]，如式(1)所示：

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    圖7為MIMO天線(xiàn)加工圖，天線(xiàn)加工采用了電印刷方式進(jìn)行處理，表面采用抗氧化處理。

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    天線(xiàn)PCB板厚度為1.5 mm，天線(xiàn)輻射單元坐落在天線(xiàn)PCB板4個(gè)角落。通過(guò)暗室測(cè)量天線(xiàn)回波損耗和各個(gè)端口的插入損耗，圖8為天線(xiàn)仿真和測(cè)量回波損耗圖。

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    測(cè)量天線(xiàn)工作頻段在回波損耗小于-10 dB阻抗帶寬條件下，天線(xiàn)工作頻段為3.45 GHz～3.64 GHz。在回?fù)軗p耗小于-6 dB阻抗帶寬條件下，天線(xiàn)工作頻段為3.23 GHz～

3.96 GHz。仿真天線(xiàn)和實(shí)際測(cè)量天線(xiàn)出現(xiàn)帶寬誤差。天線(xiàn)仿真和實(shí)際測(cè)量進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)實(shí)際測(cè)量中心頻段和仿真天線(xiàn)中心頻段略有偏差，測(cè)量天線(xiàn)的工作頻段阻抗帶寬小于仿真阻抗帶寬。圖9為天線(xiàn)仿真和測(cè)量插入損耗圖。

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    仿真和實(shí)際測(cè)量結(jié)果大體一致，天線(xiàn)端口之間隔離度良好。實(shí)際測(cè)量插入損耗小于-10 dB阻抗帶寬，滿(mǎn)足天線(xiàn)工程應(yīng)用的指標(biāo)要求。圖10為仿真計(jì)算和測(cè)量結(jié)果計(jì)算包絡(luò)相關(guān)系數(shù)圖。

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    仿真計(jì)算得到的ECC與實(shí)際測(cè)量計(jì)算得到的ECC相近，其測(cè)量計(jì)算得到的ECC小于0.2。本文設(shè)計(jì)的天線(xiàn)有良好的隔離度。手機(jī)傳輸過(guò)程中有上下行頻段，測(cè)量時(shí)選擇兩個(gè)測(cè)試頻點(diǎn)對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行方向圖測(cè)量，圖11測(cè)試頻點(diǎn)為3.45 GHz，圖12測(cè)試頻點(diǎn)為3.55 GHz 。

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    測(cè)量天線(xiàn)E面和H面與仿真平面方向圖進(jìn)行對(duì)比，天線(xiàn)在3.45 GHz和3.55 GHz處E面和H面均呈現(xiàn)全向性；方向圖沒(méi)有發(fā)生畸變，具有良好的輻射特性和全向性。圖13為天線(xiàn)測(cè)量輻射效率圖。

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    MIMO天線(xiàn)的輻射效率在65%～73.4%之間，相比于測(cè)試天線(xiàn)輻射單元，天線(xiàn)輻射效率提高了3%～8%左右。本文設(shè)計(jì)的4單元MIMO天線(xiàn)輻射效率在實(shí)際工程中滿(mǎn)足應(yīng)用條件的需求。

3 天線(xiàn)對(duì)人體輻射吸收(SAR)的分析

    現(xiàn)代人們?cè)絹?lái)越關(guān)注電子產(chǎn)品對(duì)人體的影響，一些實(shí)驗(yàn)已表明電磁輻射對(duì)人體具有潛在的影響[11]。目前在歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家，手機(jī)輻射問(wèn)題受到公眾的關(guān)注，不同的國(guó)家對(duì)手機(jī)電磁輻射安全標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定有所不同。1997年，美國(guó)FCC公布了手機(jī)電磁安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定的SAR值為1.6 W/kg。從1999年2月1日起，歐洲開(kāi)始實(shí)行手機(jī)電磁輻射防護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)SAR值為2.0 W/kg。本文應(yīng)用XFDTD7.3版本，對(duì)人體頭部電磁學(xué)SAR進(jìn)行仿真，圖14為人體和天線(xiàn)建模仿真圖。

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    仿真天線(xiàn)在人體頭部左側(cè)距離3.5 mm左右的位置。XFDTD提供的人體模型擁有人體頭部上半部分器官，軟件內(nèi)部模型提供器官、血液、骨骼等較多的仿真模型。圖15為人體吸收電磁仿真情況。

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    通過(guò)XFDTD軟件分析，天線(xiàn)主要輻射在左側(cè)腦部、臉頰和耳部。表2為仿真人體各個(gè)部分吸收情況。其中N78頻段為3.3～4.2 GHz頻段。

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    從表2 SAR吸收比率可以看出，天線(xiàn)輻射最高為1.572 W/kg。天線(xiàn)整體輻射小于1.6 W/kg標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足天線(xiàn)在人體輻射SAR設(shè)計(jì)中的需求。

4 結(jié)論

    本文提出了一種面向5G高隔離度4單元MIMO天線(xiàn)，天線(xiàn)工作在5G測(cè)試頻段。全向性的輻射滿(mǎn)足手機(jī)天線(xiàn)設(shè)計(jì)要求。天線(xiàn)留出凈空區(qū)，設(shè)計(jì)的圓形開(kāi)槽結(jié)構(gòu)擁有更好的隔離度，防止天線(xiàn)結(jié)構(gòu)和射頻電路、手機(jī)元器件耦合，天線(xiàn)輻射效率良好。通過(guò)仿真分析SAR吸收比率，結(jié)果顯示吸收值小于標(biāo)準(zhǔn)(1.6 W/kg)。本文設(shè)計(jì)的天線(xiàn)可給未來(lái)5G天線(xiàn)設(shè)計(jì)研發(fā)提供一定的設(shè)計(jì)參考。

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作者信息:

周  凱1，王睿喬1，趙志恒2

(1.哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001；2.中國(guó)科學(xué)院光電研究院，北京100004)

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