用于5G通信的移動(dòng)終端十二端口MIMO天線設(shè)計(jì)

程鉍峪 紀(jì) 明

（1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.安徽郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通信工程系，安徽 合肥 230031；3.中國(guó)電信股份有限公司南京江北新區(qū)分公司 政企部，江蘇 南京 210044）

0 引言

5G通信系統(tǒng)中由于軟硬件技術(shù)趨于成熟，在終端上使用類型多樣的軟件已是常態(tài)，隨之而來的便是如何在用戶終端上進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)吞吐率真正實(shí)現(xiàn)從基站側(cè)到終端側(cè)高速數(shù)據(jù)鏈路的對(duì)接，此外還需要考慮到終端耗能的問題，MIMO技術(shù)的出現(xiàn)正好可以很好的解決以上兩大問題，通過使用該技術(shù)既可以提高通信系統(tǒng)的信道容量，顯著提高終端設(shè)備的數(shù)據(jù)吞吐率而又不需要增加額外的發(fā)射功率，因此MIMO技術(shù)作為5G通信領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)之一將會(huì)應(yīng)用至商用的5G通信系統(tǒng)中去。早在2015年世界無線電大會(huì)（WRC-15）已經(jīng)確定將3300～3600 MHz頻譜資源重新分配給下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)使用[1]，而在2017年我國(guó)工信部正式發(fā)布關(guān)于第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)頻譜使用的通知[2]，通知規(guī)定了將3300～3600 MHz及4800～5000 MHz納入我國(guó)5G通信系統(tǒng)的使用范圍。而早在2017年2月，華為技術(shù)公司完成了C頻段3500 MHz系統(tǒng)的小型化5G終端的外場(chǎng)測(cè)試[3]，通過使用MIMO天線技術(shù)使得該測(cè)試終端下行吞吐率可以達(dá)到5 Gbps的速度，同時(shí)也證實(shí)了使用MIMO技術(shù)可以很好的改善終端的功耗。然而對(duì)于終端天線來說一味的增加天線數(shù)量，這給天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)[4]，一方面是由于終端設(shè)備預(yù)留給天線設(shè)計(jì)的空間越來越少，同時(shí)隨著天線數(shù)量的增加，天線與天線之間的耦合互相影響，這將會(huì)導(dǎo)致天線端口間信號(hào)相關(guān)度提升，因此，對(duì)于MIMO天線的設(shè)計(jì)而言，應(yīng)該使得在盡可能小的給定空間內(nèi)設(shè)計(jì)出較寬頻帶的天線，同時(shí)也需使得MIMO系統(tǒng)天線與天線之間的耦合盡可能的小。由于5G通信系統(tǒng)商用在即，因此MIMO天線的設(shè)計(jì)得到了眾多學(xué)者的關(guān)注，其中多以四端口與八端口天線居多。在文獻(xiàn)[5]中，作者提出了一款四端口MIMO終端天線，由于天線單元的尺寸較大15 mm*15 mm*5 mm，因此該MIMO系統(tǒng)主要是用于GSM與LTE系統(tǒng)中去。在文獻(xiàn)[6]中，作者設(shè)計(jì)了一款四端口MIMO終端天線，然而該天線單元僅在-6dB阻抗匹配的標(biāo)準(zhǔn)下覆蓋3400～3600 MHz頻段。在文獻(xiàn)[7]中，一款八端口天線系統(tǒng)被提出，作者采用了兩組不同類型的天線來覆蓋所需頻段，其中一組共計(jì)四個(gè)天線單元采用的是L型結(jié)構(gòu)，而另外一組共計(jì)四個(gè)天線單元采用的是立體C字型結(jié)構(gòu)，且位于PCB基板長(zhǎng)邊的兩側(cè)位置，值得注意的是作者希望通過該八端口MIMO天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來驗(yàn)證其在2550～2650 MHz頻段的覆蓋能力。在文獻(xiàn)[8]中，同樣提出了一款八端口天線系統(tǒng)，天線單元采用的是環(huán)形結(jié)構(gòu)，并采用耦合饋電的方式給天線單元饋電，作者同樣亦在驗(yàn)證該八端口天線系統(tǒng)在2600 MHz系統(tǒng)中的工作能力。在文獻(xiàn)[9]中，作者對(duì)所設(shè)計(jì)的八端口天線間的隔離度進(jìn)行了優(yōu)化，通過使用互補(bǔ)型諧振環(huán)使得該系統(tǒng)在覆蓋頻段內(nèi)具有較高的隔離度。

圖1 MIMO系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

因此，提出一款應(yīng)用于5G通信系統(tǒng)的十二端口MIMO天線，該天線可以很好的克服上述文獻(xiàn)的不足，所提出的天線系統(tǒng)在-10 dB阻抗標(biāo)準(zhǔn)下滿足了高于300 MHz的帶寬，且覆蓋工信部發(fā)下通知中的3300～3600 MHz以及4800～5000 MHz的 5G系統(tǒng)頻段。另外該MIMO天線系統(tǒng)由于采用立體倒F結(jié)構(gòu)[10-11]和倒F天線結(jié)構(gòu)，不會(huì)過多的占用移動(dòng)終端內(nèi)部空間資源，繼而可以為終端在電路組件的設(shè)計(jì)上提供便捷，同時(shí)該MIMO天線系統(tǒng)的實(shí)用性與可實(shí)現(xiàn)性也在文獻(xiàn)[12]中得以證實(shí)。

1 天線設(shè)計(jì)

如圖1所示，給出了該MIMO天線系統(tǒng)整體示意圖。十二個(gè)天線單元分別放置于天線介質(zhì)基板的兩條長(zhǎng)邊上，該介質(zhì)基板采用相對(duì)介電常數(shù)4.4，電損耗正切為0.02的FR4耐高溫玻璃纖維環(huán)氧樹脂板，其大小為136 mm*68.8 mm*1 mm。沿基板長(zhǎng)邊放置的天線單元關(guān)于yoz面完全對(duì)稱，其中位于基板頂角四個(gè)結(jié)構(gòu)及尺寸相同的立體倒F天線記為1#—4#天線單元，用于覆蓋3300～3600 MHz頻段；而在基板側(cè)面放置的四個(gè)倒F天線標(biāo)記為5#—8#天線單元，該倒F天線的水平輻射單元長(zhǎng)度為15.8 mm，高度為4 mm，同樣也是覆蓋3300～3600 MHz頻段；最后四個(gè)為9#—12#立體倒F天線，放置于基板長(zhǎng)邊中間位置，該天線主要是用于補(bǔ)充覆蓋5G通信系統(tǒng)中的4800～5000 MHz頻段。介質(zhì)基板的下表面為該十二端口天線系統(tǒng)的平面地，并在該天線系統(tǒng)平面地的兩個(gè)短邊上分別開了17 mm*1 mm的槽以便更好的提高天線與天線之間的隔離度。

圖2 立體倒F天線枝節(jié)展開圖

如圖2（a）所示，為該MIMO系統(tǒng)的1#天線單元輻射枝節(jié)的展開示意圖，2—4#天線單元與1#天線單元相同，該天線輻射枝節(jié)通過折疊的方式貼附在FR4介質(zhì)支撐上面，該FR4支撐大小為5 mm*5 mm*3 mm，從1#天線單元枝節(jié)展開圖可以看到該天線主要是由兩條電流路徑構(gòu)成：其一是貼附于FR4支撐上表面頂部的輻射枝節(jié)1記為strip1，其二為沿FR4支撐前表面、左側(cè)表面與后側(cè)表面折疊貼附的輻射枝節(jié)2記為strip2構(gòu)成。圖2（b）給出了該MIMO系統(tǒng)10#天線單元輻射枝節(jié)展開圖，另外9#、11#與12#單元于10#單元結(jié)構(gòu)相同，如圖10#天線單元的輻射枝節(jié)折疊貼附于5 mm*5 mm*2 mm的FR4立體支撐上，由于該天線單元是為了補(bǔ)充覆蓋4900 MHz的5G頻帶，因此對(duì)于該天線單元只需要一條電流路徑即可實(shí)現(xiàn)4900 MHz頻帶的覆蓋，而該天線唯一的輻射枝節(jié)貼附于FR4支撐的前表面與左側(cè)表面上。

如上圖所示，將1#天線單元輻射枝節(jié)1的末端長(zhǎng)度標(biāo)記為a1，同時(shí)將1#天線單元輻射枝節(jié)2的最末端長(zhǎng)度標(biāo)記為a2，并對(duì)a1及a2進(jìn)行參數(shù)分析。圖3（a）可以明顯看出隨著1#單元末端長(zhǎng)度a1的增長(zhǎng)，其諧振點(diǎn)逐漸向更低的頻點(diǎn)偏移；而圖3（b）可以看出1#天線的另外一個(gè)輻射枝節(jié)的末端長(zhǎng)度a2對(duì)該天線單元的阻抗匹配產(chǎn)生了重要影響，在a2長(zhǎng)度優(yōu)化不合理的情況下，1#天線單元將無法完整的覆蓋3300～3600 MHz的頻帶，因此通過a1及a2的分析表明：1#天線在兩條電流路徑共同作用下可以產(chǎn)生超過300 MHz的所需帶寬。

將10#天線單元唯一輻射枝節(jié)的末端長(zhǎng)度標(biāo)記為b，對(duì)其進(jìn)行參數(shù)分析，如圖3（c）所示，可以看到黑色曲線即為b=2.4 mm時(shí)候10#天線單元的反射系數(shù)，其諧振點(diǎn)落在4900 MHz處，隨著參數(shù)b的增加或減少對(duì)應(yīng)的諧振點(diǎn)也將分別向低頻或高頻段移動(dòng)。

另外圖3（d）對(duì)5#倒F天線單元的水平輻射枝節(jié)長(zhǎng)度c也進(jìn)行了分析，5#天線單元水平輻射枝節(jié)長(zhǎng)度與垂直輻射枝節(jié)長(zhǎng)度（天線的高度）合起來約是空氣介質(zhì)中3450 MHz頻段波長(zhǎng)的四分之一。

為了進(jìn)一步解釋該MIMO系統(tǒng)中各天線單元輻射枝節(jié)的作用，圖4給出的便是1#單元、10#單元以及5#單元在諧振點(diǎn)處的表面電流分布圖。圖4（a）可以看出1#天線單元在3450 MHz處存在兩條電流路徑：其一位于頂端位置的表面電流起到了調(diào)節(jié)天線諧振點(diǎn)的作用，其二是位于FR4立方體支撐三個(gè)側(cè)面的表面電流，該路徑末端表面電流的強(qiáng)度已經(jīng)減弱，但仍然起到調(diào)節(jié)天線阻抗匹配的作用。因此，在該兩條電流路徑共同作用下使得天線有著300 MHz的阻抗帶寬。圖4（b）則是10#單元在4900 MHz諧振點(diǎn)處的表面電流，從電流路徑的分布來看其路徑的總長(zhǎng)度約是4900 MHz介質(zhì)波長(zhǎng)的四分之一。圖4（c）所示，5#倒F天線單元的表面電流路徑，該單元水平輻射單元的長(zhǎng)度為15.8 mm，垂直輻射單元的高度為4 mm，因此兩個(gè)長(zhǎng)度的總和約是該天線在自由空間環(huán)境中4900 MHz的四分之一波長(zhǎng)的長(zhǎng)度。

圖3 MIMO系統(tǒng)天線單元參數(shù)分析

圖4 MIMO系統(tǒng)天線單元表面電流分布

2 結(jié)果與討論

如圖5所示，給出了該MIMO系統(tǒng)中各天線單元的反射系數(shù)，圖5（a）所示為1—4#天線單元的反射系數(shù)，可知在-10 dB匹配標(biāo)準(zhǔn)下該組天線能夠覆蓋3300～3600 MHz，同時(shí)若在-6 dB標(biāo)準(zhǔn)下該天線可以進(jìn)一步覆蓋LTE band 43頻帶即3600～3800 MHz；圖 5（b）給出的是 5—8# 天線單元的反射系數(shù)，同樣該組天線在-10 dB標(biāo)準(zhǔn)下具有超過300 MHz的帶寬，且該組天線的諧振點(diǎn)很好的落在中心頻點(diǎn) 3450 MHz處；圖 5（c）為 9—12#天線單元的反射系數(shù)，該組天線單元主要是為了補(bǔ)充覆蓋5G通信系統(tǒng)中的4800～5000 MHz高頻段，從圖中可以看出該組天線可以覆蓋4600～5180 MHz頻帶，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足5G高頻帶寬的需求。

如圖6所示，給出了該MIMO系統(tǒng)單元與單元之間的隔離度，在覆蓋頻帶內(nèi)相鄰天線單元之間具有較好的隔離度，其中1#單元與5#單元在3400 MHz區(qū)間的隔離度大于12 dB，1#單元與4#單元之間的隔離度大于15 dB，5#單元與6#單元之間的隔離度大于13 dB，對(duì)于9#單元與10#單元在4900 MHz頻帶內(nèi)的隔離度大于19 dB。

天線之間的相關(guān)系數(shù)|ρij|同樣是MIMO系統(tǒng)中一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，其主要是作為判斷兩個(gè)天線接收信號(hào)之間的相關(guān)性強(qiáng)弱的依據(jù)。而相關(guān)系數(shù)|ρij|可以根據(jù)天線之間的S參數(shù)計(jì)算得到[5]。圖7給出了該MIMO系統(tǒng)各單元間的相關(guān)系數(shù)，該MIMO系統(tǒng)各單元間的相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)小于0.3。

圖8給出了該MIMO系統(tǒng)的增益大小，其中1—4#天線單元在覆蓋頻帶內(nèi)增益范圍為1.0～2.18 dBi，5—8#天線由于采用的是倒F天線結(jié)構(gòu)，由于其口徑面積較大，因此在同樣3300～3600 MHz頻段上，其增益最小也能到達(dá)3.91 dBi而最大增益可達(dá)4.20 dBi。此外9—12#單元在4800～5000 MHz覆蓋頻段上其增益變化范圍為3.83～4.08 dBi。

圖5 MIMO天線系統(tǒng)各單元反射系數(shù)

圖6 MIMO天線系統(tǒng)各單元間隔離度

圖7 MIMO天線系統(tǒng)各單元間相關(guān)系數(shù)

圖8 MIMO系統(tǒng)各單元增益

圖9 MIMO系統(tǒng)各單元輻射效率

圖10 MIMO系統(tǒng)單元輻射方向圖

如圖9所示，該MIMO系統(tǒng)中1—4#單元輻射效率隨著頻率的增高而增高，其最低輻射效率為45%，而5—8#天線單元在3450 MHz附近輻射效率達(dá)到最高的87%。此外9—12#單元在覆蓋區(qū)間內(nèi)的輻射效率范圍為88—92%。

圖10給出了該 MIMO系統(tǒng) 1#、5#天線在3450 MHz頻點(diǎn)xoz與yoz面歸一化輻射方向圖以及9#天線在4900 MHz頻點(diǎn)xoz與yoz面歸一化輻射方向圖，可以看出該系統(tǒng)各天線單元可以較好的接收各方向上的來波。

3 結(jié)論

本文提出一款十二端口MIMO天線系統(tǒng)，該系統(tǒng)整體尺寸為136 mm*68.8 mm*1 mm，完全適應(yīng)了當(dāng)前移動(dòng)終端尺寸上的規(guī)格，在-10 dB阻抗帶寬標(biāo)準(zhǔn)下可以滿足低頻段3300～3600 MHz以及高頻段 4800～5000 MHz的帶寬要求，且該MIMO系統(tǒng)有著較高的增益以及輻射效率。因此，該MIMO天線系在5G通信的終端領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。