0 引言

    MIMO無線通信技術(shù)是指在發(fā)射端和接收端使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線進(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天線主要測(cè)試指標(biāo)為耦合隔離度、工作頻段、輻射效率、天線增益和SAR等。本文設(shè)計(jì)天線具有輻射全向性和良好的輻射效率。目前5G天線設(shè)計(jì)相關(guān)文獻(xiàn)(如文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]等)都沒有對(duì)天線隔離度和凈空區(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)圓形開槽結(jié)構(gòu)可以有效地降低天線與電子元器件耦合。天線在實(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天線單元的設(shè)計(jì)

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

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

    天線單元通過網(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。工作頻段帶寬滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

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

    從仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果來看，測(cè)量結(jié)果沒有發(fā)生畸變，在E面輻射呈啞鈴型分布，覆蓋到天線整個(gè)單元介質(zhì)基板。H面為全向輻射特性。整體天線輻射單元呈現(xiàn)了良好的輻射特性，滿足MIMO天線對(duì)天線輻射單元設(shè)計(jì)的需求。天線輻射效率是衡量天線是否可用的重要指標(biāo)，在測(cè)試天線輻射效率中天線測(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為天線輻射單元輻射效率測(cè)試圖。

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

2 MIMO天線仿真加工設(shè)計(jì)

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

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

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

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

3.96 GHz。仿真天線和實(shí)際測(cè)量天線出現(xiàn)帶寬誤差。天線仿真和實(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中心頻段略有偏差，測(cè)量天線的工作頻段阻抗帶寬小于仿真阻抗帶寬。圖9為天線仿真和測(cè)量插入損耗圖。

    仿真和實(shí)際測(cè)量結(jié)果大體一致，天線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，滿足天線工程應(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。

    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)的天線有良好的隔離度。手機(jī)傳輸過程中有上下行頻段，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 。

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

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

3 天線對(duì)人體輻射吸收(SAR)的分析

    現(xiàn)代人們?cè)絹碓疥P(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為人體和天線建模仿真圖。

    仿真天線在人體頭部左側(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。

    通過XFDTD軟件分析，天線主要輻射在左側(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。

    從表2 SAR吸收比率可以看出，天線輻射最高為1.572 W/kg。天線整體輻射小于1.6 W/kg標(biāo)準(zhǔn)，滿足天線在人體輻射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，天線工作在5G測(cè)試頻段。全向性的輻射滿足手機(jī)天線設(shè)計(jì)要求。天線留出凈空區(qū)，設(shè)計(jì)的圓形開槽結(jié)構(gòu)擁有更好的隔離度，防止天線結(jié)構(gòu)和射頻電路、手機(jī)元器件耦合，天線輻射效率良好。通過仿真分析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)的天線可給未來5G天線設(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)