一款利用改進(jìn)型中和線方法去耦的MIMO手機(jī)天線

摘要：

提出了一款適用于移動(dòng)終端的多入多出(MIMO)手機(jī)天線。該MIMO天線由兩個(gè)中心對(duì)稱的天線單元構(gòu)成，采用耦合饋電方式，拓展了天線帶寬，保證了天線的小型化。通過地板中間引入T型枝節(jié)，天線單元之間用中和線進(jìn)行連接，達(dá)到提高天線單元間隔離度的目的。仿真結(jié)果表明，該天線能夠覆蓋824 MHz～960 MHz和2 300 MHz～2 600 MHz兩個(gè)重要工作頻段，中和線上加載的集總電感元件能有效減小中和線的物理長(zhǎng)度。對(duì)天線進(jìn)行了實(shí)物加工測(cè)試，實(shí)物測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果比較吻合。

0 引言

隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，用戶對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能、頻譜的利用率提出了更高的要求，且不斷追尋移動(dòng)設(shè)備的小型化與便攜性多入多出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)天線適用于多頻段的無線通信，但是由于手機(jī)空間較小，天線單元之間存在不可避免的耦合作用，使得MIMO天線單元之間的相關(guān)性較大[1]，削減了MIMO天線在提高信道容量上的優(yōu)勢(shì)。

近年來，國(guó)內(nèi)外大量專家學(xué)者對(duì)MIMO天線進(jìn)行了研究，主要的研究方向是MIMO天線單元間的去耦。引入地板縫隙是去耦方法中最簡(jiǎn)單、最有效的，且容易加工制作，其去耦原理主要是通過減小天線單元之間的傳播信號(hào)波長(zhǎng)來減小單元之間的相關(guān)性[2-3]。文獻(xiàn)[4]提出一種U型寬帶MIMO天線，采用引入地板縫隙的方法，在2.4 GHz～6.35 GHz工作頻帶內(nèi)的MIMO天線隔離度能夠達(dá)到-20 dB。文獻(xiàn)[5]中提出的超寬帶帶阻MIMO天線引入了T型枝節(jié)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)耦合到天線單元2的電流與天線單元1耦合到天線單元2的電流相位相反，相互抵消，減弱了天線單元間相關(guān)性[6-7]。同樣，在MIMO天線中引入寄生單元[8]進(jìn)行去耦與加載T型地板枝節(jié)的去耦原理相似。

提出的天線采用了引入寄生單元的方法進(jìn)行去耦，工作頻段覆蓋了2.4 GHz～2.5 GHz和5.15 GHz～5.825 GHz兩個(gè)頻段，且具有良好的隔離度。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于槽天線的小型化超寬帶MIMO天線，采用在地板上開槽和方向圖分集的方法，天線在3.1 GHz~7 GHz頻段內(nèi)S12<-10 dB，在7 GHz~11 GHz頻段內(nèi)S12<-25 dB，實(shí)現(xiàn)了天線的高隔離度。中和線技術(shù)是2006年提出的一種解耦技術(shù)，通過引入一條電流路徑以抵消在相鄰單元上的表面波耦合，實(shí)現(xiàn)MIMO天線的去耦。文獻(xiàn)[11]提出的超寬帶MIMO天線通過引進(jìn)寬帶中和線，降低了天線單元耦合，設(shè)計(jì)出的MIMO天線在3.1 GHz～5 GHz處隔離度達(dá)到-22 dB。中和線的長(zhǎng)度、變形對(duì)天線的隔離度也有較大的影響。

提出的天線采用了兩根不同長(zhǎng)度的中和線，通過聯(lián)合解耦的方式，在反射系數(shù)-6 dB的標(biāo)準(zhǔn)帶寬下，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)不同寬頻帶范圍內(nèi)的解耦。文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)的中和線采用多重折疊結(jié)構(gòu)，介質(zhì)基板底部中和線折疊14次，頂部折疊了20次，實(shí)現(xiàn)了天線的解耦。但是，上述提出的兩種中和線的物理總長(zhǎng)度都比較長(zhǎng)，且文獻(xiàn)[13]中的解耦結(jié)構(gòu)比價(jià)復(fù)雜，這在一定程度上增加了天線設(shè)計(jì)的復(fù)雜度以及實(shí)物加工的成本。

本文通過在地板上放置兩個(gè)天線單元結(jié)構(gòu)，單元之間用金屬中和線進(jìn)行連接，并在中和線上加載集總電感元件，對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)利用在地板上加載T型地板枝節(jié)，實(shí)現(xiàn)了MIMO天線的去耦。最后，在仿真優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)天線進(jìn)行了實(shí)物的加工和測(cè)試，實(shí)物測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

1 天線設(shè)計(jì)

本文提出并設(shè)計(jì)了一款具有較高隔離度的MIMO手機(jī)天線，其主要采用耦合饋電技術(shù)和帶阻匹配電路加載技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，滿足S11＜-6 dB，S21＜-10 dB，工作頻段為824 MHz～960 MHz和2 300 MHz～2 600 MHz。

1.1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所提出的MIMO天線具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由兩個(gè)中心對(duì)稱的天線單元構(gòu)成，中間通過U型中和線進(jìn)行連接，每個(gè)天線單元結(jié)構(gòu)的尺寸為10 mm×22 mm，天線總占有的尺寸為10 mm×60 mm。

該天線印刷在介電常數(shù)為4.4的FR-4介質(zhì)基板上，基板尺寸為120 mm×60 mm×0.8 mm。在天線的地板中間加入T型枝節(jié)，用來提高M(jìn)IMO天線的隔離度。該天線采用了50 Ω同軸線饋電的激勵(lì)方式。

1.2 MIMO天線的構(gòu)成

所設(shè)計(jì)的MIMO天線采用耦合饋電方式，通過帶阻電路和饋電線結(jié)合組成直接饋電部分，兩個(gè)天線單元之間的距離只有16 mm。圖2給出的是天線和每個(gè)單元的具體幾何形狀和尺寸。天線結(jié)構(gòu)各部分的尺寸具體參數(shù)如表1所示。其中A1～A4是電感，C1是電容。

耦合饋電部分由短路線和集總元件組成，天線結(jié)構(gòu)圖2(d)的饋電線直接產(chǎn)生高頻(2 300 MHz～2 600 MHz)，低頻(824 MHz～960 MHz)由圖2(b)中的帶阻電路和耦合饋電線共同作用產(chǎn)生。用于連接兩個(gè)天線單元的U型金屬線長(zhǎng)度為50 mm，該長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于低頻諧振點(diǎn)的長(zhǎng)度，微帶金屬線加入的目的是實(shí)現(xiàn)在低頻段去耦。天線的背面加入了T型地板枝節(jié)，如圖2(c)所示，該結(jié)構(gòu)主要是用于降低兩個(gè)天線單元在高頻段的耦合度。由于手機(jī)設(shè)備對(duì)天線尺寸要求的限制，為了能夠覆蓋GSM850/900 MHz的工作頻帶，該天線在饋電端口額外增加了一個(gè)帶阻匹配網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，帶阻匹配電路的加入改善了天線的阻抗匹配。

1.3 天線的去耦

所設(shè)計(jì)的MIMO天線要求天線單元之間的耦合較小，因此采用U型中和線的方式進(jìn)行去耦。利用中和線去耦的方法能夠在保持原有天線尺寸的基礎(chǔ)上，有效地減小低頻處的耦合。但是，在天線單元之間放置中和線時(shí)，其位置是難以確定的，這也是MIMO天線設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

本文所設(shè)計(jì)的天線采用的是U型中和線結(jié)構(gòu)，尺寸大小為50 mm×0.5 mm，并對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，在中和線的中間位置加載大小為15 nH的集總電感，用于提高天線單元間的隔離度，也縮短了中和線的物理長(zhǎng)度。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 MIMO天線隔離效果分析

隔離度是衡量MIMO天線性能的重要指標(biāo)之一。該天線采用了T型地板枝節(jié)和中和線去耦的方法來提高天線單元間的隔離度。T型地板枝節(jié)的作用主要是降低天線在高頻段的隔離度，該結(jié)構(gòu)能夠使天線單元之間產(chǎn)生兩個(gè)相位相反的電流，相互抵消，從而提高天線的隔離度。中和線的加入主要是用于降低天線在低頻段的耦合。這里主要考察在改進(jìn)型U型中和線上加載的集總電感A2對(duì)天線隔離度的影響。

如圖3所示，A2取值的增大對(duì)天線在低頻處S參數(shù)基本沒有影響。圖3(b)S21曲線中，A2增大時(shí)，天線在高頻部分的隔離效果逐漸變差。根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果圖，當(dāng)A2的取值為15 nH時(shí)，天線在覆蓋頻段內(nèi)的去耦效果最佳，隔離度能基本達(dá)到天線的設(shè)計(jì)要求。

將所設(shè)計(jì)的MIMO天線分別與兩個(gè)參考天線進(jìn)行S參數(shù)的對(duì)比，分析隔離性能的好壞。其中，參考天線1未加T型地板枝節(jié)和U型中和線，參考天線2未加U型中和線，3種天線的 S參數(shù)曲線對(duì)比如圖4所示。

參考天線1的S參數(shù)在高頻處只有一個(gè)諧振點(diǎn)，且頻帶的范圍相對(duì)較窄，隔離度在-7 dB左右。參考天線2的S參數(shù)頻帶向左平移了一段距離，但整體對(duì)低頻段的影響不大，天線的隔離度仍達(dá)不到理想情況。設(shè)計(jì)的MIMO天線在低頻段和高頻段內(nèi)的隔離度都能達(dá)到-10 dB以上，隔離效果與兩個(gè)參考天線相比，都有所提高，且天線能夠覆蓋824 MHz～960 MHz和2 300 MHz～2 600 MHz兩個(gè)頻段。

天線結(jié)構(gòu)上的電流分布能很好地體現(xiàn)中和線的去耦效果。天線工作在850 MHz時(shí)，電流分布情況如圖5所示。

在加入U(xiǎn)型中和線之后，左邊的天線單元電流強(qiáng)度減弱，傳到右邊天線單元的電流也得到了削弱。在不增加中和線結(jié)構(gòu)時(shí)，天線在低頻段的隔離度約為7.5 dB，在加入U(xiǎn)型中和線結(jié)構(gòu)之后，兩個(gè)天線單元之間的隔離度提高了3 dB左右，低頻段天線單元之間的相關(guān)性明顯減小。該MIMO天線由于U型中和線的加入，在低頻部分達(dá)到了去耦的效果。

2.2 天線輻射方向圖

天線輻射方向圖也是衡量天線性能的重要指標(biāo)之一，本文對(duì)設(shè)計(jì)的MIMO天線進(jìn)行了方向圖仿真，圖6為該天線在xoz面和yoz面的方向圖，豎軸代表該天線在不同方向上的增益。

從圖6中可以看出，在850 MHz的工作頻率時(shí)，該天線在xoz平面的輻射方向圖呈現(xiàn)∞型，與單極子天線的輻射方向圖近似。當(dāng)天線工作在2 500 MHz時(shí)，天線的輻射模式呈現(xiàn)多樣性。在方向圖中，Eθ和Eφ的大小基本相同，所設(shè)計(jì)的天線具有良好的穩(wěn)定性。

3 天線實(shí)物加工測(cè)試結(jié)果

本文在應(yīng)用電磁仿真軟件HFSS設(shè)計(jì)和仿真MIMO天線的基礎(chǔ)上，對(duì)天線進(jìn)行了加工制作，圖7所示為天線的加工實(shí)物圖。

對(duì)該MIMO天線的加工實(shí)物用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。從實(shí)際測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果來看，S參數(shù)在天線所需要覆蓋的頻段范圍內(nèi)走向基本一致，在低頻824 MHz～960 MHz和高頻2 300 MHz～2 600 MHz內(nèi)分別滿足S11＜-6 dB，S21＜-10 dB。但是，在其他頻段內(nèi)，實(shí)際測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果有一定的差距。誤差產(chǎn)生的主要原因是天線結(jié)構(gòu)中的帶阻匹配電路、中和線的電容和電感在焊接的過程中容易引起誤差。其次，電容電感的大小本身也存在一定誤差，且同軸線在加工過程中會(huì)有所損耗。同時(shí)，在電容和電感的焊接過程中，焊錫的多少也會(huì)造成誤差的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

本文提出并設(shè)計(jì)了一款利用改進(jìn)型中和線方法去耦的MIMO手機(jī)天線。在MIMO天線的去耦方面，該天線通過在兩個(gè)天線單元之間加入中和線，并在中和線上加載集總電感元件進(jìn)行改進(jìn)，成功實(shí)現(xiàn)了天線的去耦，并使天線得到小型化。同時(shí)，所設(shè)計(jì)的天線擁有突出的地平面，可以在上面安裝其他元器件，節(jié)約手機(jī)主板的空間，使實(shí)體天線的結(jié)構(gòu)更為緊湊。天線實(shí)物測(cè)試的結(jié)果進(jìn)一步證明該天線具有良好的工作性能，基本符合了手機(jī)天線的設(shè)計(jì)要求。