用于5G智能手機的寬帶高隔離度MIMO天線

姚 婷，楊雪霞

(上海大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，上海 200444)

0 引言

第五代移動通信(5G)已正式投入商用,其主要特征之一是信息的大容量和高速率傳輸[1]。作為5G的關(guān)鍵技術(shù)之一,多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技術(shù)能夠在不增加頻譜資源的情況下線性提升天線系統(tǒng)的信道容量和數(shù)據(jù)傳輸速率[2],但需在終端內(nèi)部放置多個天線單元以支持該技術(shù)。然而,隨著終端設(shè)備向小型化發(fā)展,留給天線的空間越來越有限,而天線數(shù)量的增加需要單元緊密排列,由此引發(fā)的強互耦會影響天線性能。最初5G手機天線的研究主要集中在3.4～3.6 GHz[3-5]頻段,其帶寬有限。隨著5G在全球的部署,需要手機天線能夠覆蓋5G NR的所有頻段:n77(3.3～4.2 GHz)、n78(3.3～3.8 GHz)、n79(4.4～5.0 GHz)及LTE band 46(5.150～5.925 GHz)。因此,對5G手機MIMO天線提出了小型化、寬頻段和高隔離度的要求。

5G手機MIMO天線的傳統(tǒng)設(shè)計方案是直接在電路板不同區(qū)域放置4～8個獨立天線單元,然后采用增大單元間距[6]或增加去耦結(jié)構(gòu)等方法提高隔離度,包括蝕刻缺陷地[7]、加載中和線[8]、集總元件[9]或接地枝節(jié)[10-11]等。但該方案的MIMO天線系統(tǒng)整體占用空間較大。近年提出了一種新方案,將2個間隔很近或共用輻射體的天線單元集成為一個雙單元模塊,并通過對稱放置4個天線對形成8元MIMO陣列[12-18]。該方案的MIMO天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,能夠提高空間利用率,但難點在于如何消除天線對兩端口間的互耦。文獻(xiàn)[13]提出了一種由2個極化正交的單極子和偶極子天線構(gòu)成的雙單元模塊,隔離度高于17 dB;文獻(xiàn)[14]提出了一種基于差/共模對消理論的共用輻射體自去耦天線對,隔離度高于11.5 dB;文獻(xiàn)[15-16]均提出了通過加載集總元件去耦的天線對,隔離度高于11 dB。上述文獻(xiàn)在提高隔離度的同時有效降低了MIMO天線系統(tǒng)的整體尺寸,但都工作于窄帶。文獻(xiàn)[17～18]提出了2種寬帶解耦的天線對,但尺寸都較大。

基于上述狀況,本文提出了一種用于5G智能手機的寬帶高隔離度雙單元天線對及其構(gòu)成的8元MIMO陣列。該天線能夠在寬頻段內(nèi)實現(xiàn)高的隔離度,同時結(jié)構(gòu)緊湊、效率高,且包絡(luò)相關(guān)系數(shù)(Envelope Correlation Coefficient,ECC)低,對未來5G智能手機MIMO天線設(shè)計具有應(yīng)用價值。

1 天線對結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 天線對基本結(jié)構(gòu)

雙單元天線對在手機上的位置如圖1所示,系統(tǒng)電路板尺寸為150 mm×75 mm,其側(cè)邊框高度為6 mm,邊框與電路板的材料均采用厚度為0.8 mm的FR4介質(zhì)基板(εr=4.4,tanδ=0.002)。接地板位于電路板下表面,且與側(cè)邊框之間有1.5 mm的地板凈空。圖2為雙單元天線對具體結(jié)構(gòu),圖2(a)是天線對的三維圖,天線對由2個直接饋電的倒L型單極子、一個類“π”型接地枝節(jié)和一個L型寄生枝節(jié)組成。倒L型單極子和類“π”型接地枝節(jié)印刷在側(cè)邊框內(nèi)表面和電路板上表面,前者通過50 Ω微帶線直接饋電,后者通過鄰近耦合饋電的方式被激勵。L型寄生枝節(jié)印刷在側(cè)邊框外表面和電路板下表面,通過金屬化過孔與內(nèi)表面的類“π”型枝節(jié)連接。天線對中2個單元共用接地枝節(jié)和寄生枝節(jié),因此邊到邊的距離為零,其尺寸為26.8 mm×6 mm(0.29λ0×0.07λ0,λ0為3.3 GHz的自由空間波長),天線對詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。圖2(c)為天線對俯視圖,類“π”型枝節(jié)的2個接地分支在平行于接地面方向上由一條彎曲交指縫隙相連。

圖1 天線對在手機中的位置Fig.1 Location of the antenna pair in the smartphone

圖2 雙單元天線對結(jié)構(gòu)

1.2 天線對的寬帶工作原理

圖3為寬帶雙單元天線對的具體設(shè)計過程,參考天線Ant 1為直接饋電的倒L型單極子,由50 Ω微帶饋線和枝節(jié)ABC構(gòu)成,在其基礎(chǔ)上增加耦合短路帶DEFG形成參考天線Ant 2,再增加調(diào)諧枝節(jié)FH形成了天線單元Ant 3。Ant 3為耦合饋電的倒F天線(IFA),通過改變枝節(jié)BC長度及耦合縫隙寬度s1可以調(diào)節(jié)阻抗匹配。最后由2個鏡像對稱的Ant 3單元以邊到邊零間距放置形成了寬帶的雙單元天線對初始結(jié)構(gòu),記為Case 1。

圖3 寬帶雙單元天線對的設(shè)計過程Fig.3 Design process of the broadband antenna pair

圖4為天線單元Ant 3與參考天線Ant 1、Ant 2的反射系數(shù)對比。當(dāng)只有倒L型單極子(Ant 1)時,在5.5 GHz附近處有一個高頻諧振點,增加耦合短路枝節(jié)后,Ant 2在3.8 GHz處增加了一個低頻諧振點,并且由于枝節(jié)間的耦合作用,原來的高頻諧振點受到影響,往低頻移動至4.8 GHz附近,2個諧振模式接近,達(dá)到了寬帶諧振的效果。在短路枝節(jié)DEFG左側(cè)延伸出一段調(diào)諧枝節(jié)FH進(jìn)一步改善了阻抗匹配,諧振程度加深,低頻阻抗帶寬變寬。圖5為天線對Case 1的仿真S參數(shù)。

圖4 Ant 1、Ant 2與Ant 3的S11Fig.4 S11 of Ant 1、Ant 2 and Ant 3

圖5 天線對Case 1的仿真S參數(shù)Fig.5 Simulated S parameters of Case 1

由圖5可以看出,2個端口的-6 dB阻抗帶寬均能夠覆蓋3.3～6.0 GHz,相比于單元Ant 3,天線對Case 1的反射系數(shù)低頻截止頻率往高頻移動了約0.3 GHz,主要是由于端口1、2距離太近產(chǎn)生的互耦影響。此外,在不增加任何去耦結(jié)構(gòu)情況下,兩端口間隔離度|S21|高于10 dB,滿足手機天線的基本要求。

1.3 天線對的高隔離度工作原理

天線對Case 1的自去耦特性可以通過差/共模對消理論[14]分析。文獻(xiàn)[14]提出了一種模式對消理論,證明了對稱互易雙端口天線的隔離度與其差模(Differential Mode,DM)和共模(Common Mode,CM)反射系數(shù)之間存在等量關(guān)系,即差、共模反射系數(shù)差值越小,雙單元天線對的隔離度越高,當(dāng)二者相等,差值為零時,天線對兩端口的隔離度無窮大。

圖6給出了天線對Case 1在不同激勵下的矢量電流分布。圖6(a)為兩端口激勵等幅同相信號(CM)的電流分布,即共模電流(ICM),圖6(b)為兩端口激勵等幅反相信號(DM)的電流分布,即差模電流(IDM)。由圖6(c)可以看出當(dāng)端口1激勵且端口2接50 Ω匹配負(fù)載時,其電流分布(I1)可看成共模和差模電流相加:

圖6 Case 1不同情況下的矢量電流分布Fig.6 Vector current distribution of Case 1

I1=|ICM+IDM|。

(1)

圖6(d)顯示了當(dāng)端口2激勵且端口1接50 Ω匹配負(fù)載時,其電流分布(I2)可以看成共模和差模電流相減:

I2=|ICM-IDM|。

(2)

因此,當(dāng)共模、差模電流相等時,非激勵端口上產(chǎn)生的電流相互抵消,兩端口可實現(xiàn)理想隔離效果。

為了進(jìn)一步提高雙單元天線對的隔離度,采用加載電容的方法去耦,結(jié)構(gòu)演進(jìn)過程如圖7所示。圖7(a)Case 2的“π”型枝節(jié)中心位置處通過金屬化過孔與邊框外側(cè)的L形寄生枝節(jié)相連,該枝節(jié)沿側(cè)邊框外表面往電路板下表面折疊延伸,末端通過0.1 pF的電容1與接地板相連,其電容值大小用C1表示,低頻處形成了一個LC諧振回路。其仿真S參數(shù)如圖8(a)所示,隔離度S21曲線在3.2 GHz處多了一個凹陷點,此處隔離度能達(dá)到30 dB,通過改變C1大小能調(diào)節(jié)凹陷點的頻率,顯著改善了天線對的低頻隔離度。

圖7 天線對結(jié)構(gòu)演進(jìn)過程Fig.7 Evolution process of the antenna pair

圖8 天線對演進(jìn)過程的S參數(shù)Fig.8 The S parameter of antenna pair evolution process

圖7(b)Case 3中“π”型枝節(jié)的2個接地分支通過0.15 pF的電容2連接,其電容值大小用C2表示,結(jié)構(gòu)中間形成了一個串聯(lián)諧振回路,電流流經(jīng)此處會被短路。其仿真S參數(shù)如圖8(b)所示,可以看出加上電容2后,隔離度S21曲線在中心頻點4.9 GHz處增加了一個凹陷點,該點的隔離度從10 dB提高到40 dB,顯著提高了中高頻段隔離度。考慮到加工測試時電容元件會增加損耗,影響天線效率,因此將電容1和2分別用0.2 mm的直縫隙和0.1 mm的交指型縫隙替代,形成了Case 4,結(jié)構(gòu)如圖7(c)所示。其仿真S參數(shù)如圖8(c)所示,可以看出,用分布式電容代替電容元件1和2后,去耦效果不受影響,其兩端口的反射系數(shù)和隔離度與Case 3基本一致。

由于演進(jìn)過程中增加的去耦設(shè)計,天線對反射系數(shù)往高頻偏移,為了降低其低頻截止頻率,在“π”型枝節(jié)兩末端分別增加一段彎曲短枝節(jié),形成了最后的天線對Case 5,結(jié)構(gòu)如圖7(d)。其仿真S參數(shù)如圖8(d)所示,-6 dB帶寬能夠覆蓋整個3.3～6.5 GHz頻段,帶內(nèi)隔離度高于11 dB,在中高頻段(4.5～6.5 GHz)隔離度高于15 dB,中心頻點4.9 GHz處峰值隔離度能夠達(dá)到40 dB,實現(xiàn)了高隔離性能。

天線對Case 5中心頻點處的高隔離度特性可以通過圖9(a)所示的4.9 GHz處矢量電流分布來解釋。從圖9(a)可以看出,加載交指縫隙后,天線對中間處形成了一個串聯(lián)諧振回路。當(dāng)激勵端口1時,流向端口2的電流在交指縫隙處被短路,電流直接流回端口1,不再流向端口2,起到了隔離兩端口的作用。圖9(b)為Case 5的差、共模反射系數(shù)的Smith圓圖,可以通過2條曲線在圓圖上的間距來表征二者的差。如圖9(b)所示,在4.9 GHz處,2條曲線幾乎重合,根據(jù)前文提到的差/共模理論可以說明在該頻點處,天線對具有高隔離和良好的匹配特性。

圖9 Case 5部分仿真結(jié)果Fig.9 Some simulation results of Case 5

2 8元MIMO天線陣列設(shè)計

基于上文提出的雙單元天線對,在手機兩側(cè)邊框內(nèi)表面對稱放置4個該結(jié)構(gòu),形成了8元MIMO天線陣列,結(jié)構(gòu)如圖10所示。由于天線對1、2與天線對3、4關(guān)于電路板短邊中心對稱,下文只對天線對1、2進(jìn)行討論。同一側(cè)兩天線對邊到邊的距離為36 mm(0.39λ0),端口2、3距離較近,耦合較強。為了提高端口2、3的隔離度,在兩端口間的接地面上蝕刻矩形縫隙,通過改變縫隙長度ls可以調(diào)節(jié)去耦效果。圖11對比了蝕刻不同縫隙長度ls下的S23,可以看出,隨著ls增加,端口2、3中心頻點處的隔離度逐漸改善,到ls=10 mm時,|S23|顯著提高至15 dB以上。與未蝕刻矩形縫隙去耦結(jié)構(gòu)對比,蝕刻縫隙后,端口2、3的隔離度得到明顯提高。

(a)3D圖

(b)俯視圖

圖11 S23隨縫隙長度ls變化Fig.11 Simulated S23 with different ls

3 結(jié)果與分析

為驗證所提出的寬帶高隔離度雙單元天線對及8元MIMO天線陣列,對其進(jìn)行了加工實測。天線陣列實物如圖12所示,8元MIMO陣列中的每個端口均通過50 Ω的SMA同軸連接器饋電,SMA連接頭位于系統(tǒng)電路板的背面,實際測試時,除測試端口外,其余端口均與50 Ω匹配負(fù)載相連接,以減少其對測試結(jié)果的影響。利用型號為N5227矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試了天線的S參數(shù)。由于本文MIMO天線陣列關(guān)于電路板短邊中心對稱,故只給出一側(cè)2個天線對的仿真和測試結(jié)果。

(a)正面

(c)側(cè)面

3.1 S參數(shù)和天線效率

圖13(a)、圖13(b)分別為8元MIMO陣列中天線對1和2的S參數(shù)仿真與實測結(jié)果。可以看出,仿真和實測結(jié)果基本一致,-6 dB阻抗帶寬均能夠覆蓋3.3～6.5 GHz,兩端口間的帶內(nèi)隔離度均高于11 dB,在n79和LTE band 46頻段(4.4～5.925 GHz)隔離度高于15 dB,且4.9 GHz中心頻點處峰值隔離度能達(dá)到40 dB。圖13(c)、圖13(d)分別為天線對1的端口1、端口2與MIMO陣列其他端口的實測隔離度。可以看出,除了S23僅高于11 dB外,其余端口間的隔離度在整個工作頻段內(nèi)均能夠高于15 dB。圖13(e)為天線對1中2個端口的仿真和實測天線總效率,在工作頻段內(nèi)兩端口的總效率為59%～88.8%。

圖13 8元MIMO陣列各性能參數(shù)的仿真和實測結(jié)果 Fig.13 Simulated and measured parameters of eight-element array

3.2 ECC

ECC指2個天線單元接收信號的相關(guān)性,是衡量多天線系統(tǒng)分集性能的指標(biāo),其計算公式[19]為:

(3)

式中:ECCij代表單元i和j之間的ECC,Sij代表單元i和j之間的S參數(shù),ηrad,i和ηrad,j代表單元i和j的輻射效率。圖14為式(3)根據(jù)實測S參數(shù)及相應(yīng)單元的輻射效率計算所得的ECC。可以看出8元MIMO陣列中各端口間的ECC在整個工作頻段內(nèi)均小于0.1,滿足手機MIMO天線對ECC的要求(小于0.5)。

圖14 由實測結(jié)果計算所得的單元間ECC Fig.14 Calculated ECC from the measured results

3.3 手持方式的影響

手機MIMO天線系統(tǒng)的設(shè)計需考慮用戶手持姿勢對天線性能的影響,主要有2種手持方式:單手持握和雙手持握。下面通過HFSS軟件仿真分析2種手持方式對8元MIMO陣列性能的影響。

圖15為8元MIMO天線陣列在單手模式下的各性能參數(shù)。如圖15(a)所示,單手模式時,天線對1和3距離手模型較近,尤其天線對1幾乎被大拇指完全覆蓋,而天線對2和4距離手模型較遠(yuǎn)。圖15(b)、圖15(c)分別為單手模式時的反射和傳輸系數(shù),可以看出,除了S11和S22在低頻略有失配,其余端口的S參數(shù)受影響較小,且所有端口間的隔離度在整個頻段內(nèi)均能高于-10 dB。然而從圖15(d)可以看出,MIMO陣列的天線效率受到顯著影響,其中天線對1和3的效率分別下降至18%～38%和28%～50%。其天線效率惡化的原因是HFSS中的手部模型可以等效為不規(guī)則的有耗介質(zhì),它能吸收天線單元的輻射功率,從而導(dǎo)致天線單元效率降低,天線離手模型越近,受影響程度越大。

圖15 單手模式下8元MIMO陣列的仿真結(jié)果 Fig.15 Simulated results of the proposed eight-element MIMO array in the single-hand operation mode

圖16為8元MIMO陣列在雙手模式下的各性能參數(shù),可以觀察到與單手模式類似的情況。在圖16(b)、圖16(c)中,MIMO陣列的反射系數(shù)和隔離度均只在低頻段(3.3～3.8 GHz)略受影響,未出現(xiàn)明顯惡化;在圖16(d)中,同樣由于手的吸收效應(yīng)導(dǎo)致天線效率有所下降。但由于所提出MIMO陣列的天線對主要集中在手機中間位置,雙手持握時手部模型沒有與天線直接接觸,因此相比單手模式,雙手模式下的天線效率受影響程度較小,均在40%～80%。

圖16 雙手模式下8元MIMO陣列的仿真結(jié)果 Fig.16 Simulated results of the proposed eight-element MIMO array in the dual-hand operation mode

綜上,仿真分析了考慮實際手持情況時,所提出的手機MIMO天線陣列基本仍能夠保持較好的帶寬和隔離性能,其阻抗和隔離度受影響較小,而天線效率受影響較大,且距離手部模型越近,天線效率惡化越嚴(yán)重,其余遠(yuǎn)離手部模型的天線單元仍具有良好的輻射能力和天線效率。

3.4 性能比較

表1選取了部分參考文獻(xiàn)中的MIMO天線與本文提出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比。從對比結(jié)果可以看出,本文設(shè)計的雙單元天線對具有較高的隔離度,同時尺寸小、效率高且ECC低,能夠很好地滿足5G智能手機MIMO天線的實際應(yīng)用要求。

表1 天線性能比較

4 結(jié)束語

本文提出了一種可用于5G智能手機的緊湊型寬帶高隔離度雙單元天線對及其組成的8元MIMO陣列。雙單元天線對的-6 dB 阻抗帶寬為3.3～6.5 GHz,相對帶寬為65.3%,能夠覆蓋5G通信中的整個Sub-6 GHz頻段。在差/共模對消理論的基礎(chǔ)上,創(chuàng)新性地提出了利用分布式電容構(gòu)造串聯(lián)諧振回路的方法,進(jìn)一步提升了天線對的端口隔離度,最終實現(xiàn)兩端口間帶內(nèi)隔離度高于11 dB,在n79和LTE band 46頻段內(nèi)隔離度高于15 dB,且中心頻點處的峰值隔離度能達(dá)到40 dB,具有高隔離性能。由4個相同天線對沿手機邊框?qū)ΨQ放置組成了8元MIMO天線陣列,通過蝕刻矩形缺陷地結(jié)構(gòu)去耦,并仿真分析了用戶手持姿勢對MIMO陣列性能的影響。對該8元MIMO陣列進(jìn)行了加工測試,實測和仿真結(jié)果基本一致,該陣列所有端口間的帶內(nèi)隔離度均高于11 dB,天線總效率為59%～88.8%,ECC低于0.1,適用于未來5G智能手機。