《电子技术应用》
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面向5G高隔离度4单元MIMO手机天线设计
2019年电子技术应用第11期
周 凯1,王睿乔1,赵志恒2
1.哈尔滨工程大学 信息与通信学院,黑龙江 哈尔滨150001;2.中国科学院光电研究院,北京100004
摘要: 设计了一个4单元高隔离度手机天线,由4个辐射单元组成,辐射单元分别位于天线的4个角落。对天线辐射单元进行分析测试,测量天线辐射单元工作频段为3.43 GHz~3.86 GHz,覆盖5G移动通信测试频段。MIMO天线工作频段在端口回波损耗小于-10 dB阻抗带宽条件下,工作频段为3.45 GHz~3.64 GHz;在端口回波损耗小于-6 dB阻抗带宽条件下,天线工作频段为3.23 GHz~3.96 GHz。新设计的圆形开槽结构能减少天线和电子元器件耦合,并且天线具有良好的全向性和辐射特性。MIMO天线在3.2 GHz~4 GHz频率内,天线辐射效率为65%~73.4%。仿真表明,脑部辐射SAR(Specific Absorption Rate)参数小于1.6 W/kg,天线对人体影响较低。
中图分类号: TN823
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190800
中文引用格式: 周凯,王睿乔,赵志恒. 面向5G高隔离度4单元MIMO手机天线设计[J].电子技术应用,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无线通信技术是指在发射端和接收端使用多个发射天线和接收天线进行信号的传输和接收,改善整体通信质量[1]。目前,MIMO系统在4G通信中应用已经十分成熟,并且MIMO技术是下一代5G通信发展的关键技术[2]。5G通信频段主要分为Sub-6 GHz和高频毫米波。Sub-6 GHz测试频段为2.5 GHz~2.675 GHz、3.4 GHz~3.8 GHz和4.8 GHz~4.9 GHz。国内5G正处于测试当中,电信运营商测试频段为3.4 GHz~3.5 GHz,联通运营商测试频段3.5 GHz~3.6 GHz[3]

    MIMO天线主要测试指标为耦合隔离度、工作频段、辐射效率、天线增益和SAR等。本文设计天线具有辐射全向性和良好的辐射效率。目前5G天线设计相关文献(如文献[4]、文献[5]和文献[6]等)都没有对天线隔离度和净空区域进行有效的设计和分析。本文在此基础上合理留出净空区域,并且设计圆形开槽结构可以有效地降低天线与电子元器件耦合。天线在实际加工中更加灵活,可采用电印刷技术、刻蚀技术和LDS技术加工等[7]

1 MIMO天线单元的设计

    MIMO天线辐射单元加工和测试是十分重要的。每个辐射单元具有良好的辐射特性,MIMO天线才会具有一个良好的辐射性能和辐射效率。本文天线辐射单元的介质板选用FR-4基板,介电常数为4.4。天线介质基板尺寸为30 mm×30 mm×1.5 mm。天线镀铜的厚度为0.1 mm,天线底部为环形开槽结构,开槽缝隙为0.5 mm。天线正面为微带线结构和圆形开槽结构。通过50 Ω SMA接头对天线进行连接。图1为天线辐射单元仿真结构图,表1为天线尺寸参数。本文应用软件HFSS来进行仿真,相比于其他的仿真软件(如CST、FEKO、FDTD和XFDTD等),HFSS对于小尺寸窄带天线仿真更加准确。 

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    天线模型进行实际测试加工,加工方案采用电印刷方式,图2为天线加工实物图。

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    天线单元通过网络分析仪测量S11(回波损耗)参数,图3为测量天线S11参数和仿真S11参数对比图。S11<-10 dB阻抗带宽,工作频段为3.43 GHz~3.86 GHz。S11<-6 dB阻抗带宽,工作频段为3.29 GHz~4.06 GHz。工作频段带宽满足设计指标要求。

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    通过暗室测试其方向图,并判断其辐射特性是否为全向性天线[8]。图4为天线在3.55 GHz频率下的测量方向图和仿真图对比。

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    从仿真结果和测量结果来看,测量结果没有发生畸变,在E面辐射呈哑铃型分布,覆盖到天线整个单元介质基板。H面为全向辐射特性。整体天线辐射单元呈现了良好的辐射特性,满足MIMO天线对天线辐射单元设计的需求。天线辐射效率是衡量天线是否可用的重要指标,在测试天线辐射效率中天线测量一般分为外置测试和内置测试。外置测试一般要求辐射效率达到55%~85%左右,内部测试要求达到20%~55%左右。图5为天线辐射单元辐射效率测试图。

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    通过暗室进行测量,外置测试条件下天线最高辐射效率能达到70.8%,最低为57.6%。本文设计天线单元的辐射效率满足工程应用指标。天线单元具有良好的辐射特性。

2 MIMO天线仿真加工设计

    MIMO天线有诸多优点,但是需要天线具有良好的隔离度,设计时应该注意天线插入损耗和相关包络系数等指标。相关包络系数(Envelop Correlation Coefficient,ECC)代表不同的天线单元间接收信号幅度之间的相关性,是衡量MIMO多天线系统分集性能和耦合性能的参数指标。对于MIMO手机天线,要求ECC在主天线低频段小于0.5,在高频段要小于0.4。该值越小代表的分集增益越大。近几年来出现了很多种计算相关系数的方法[9],利用天线电路中所测得的S参数来计算其ECC[10],如式(1)所示:

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    图7为MIMO天线加工图,天线加工采用了电印刷方式进行处理,表面采用抗氧化处理。

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    天线PCB板厚度为1.5 mm,天线辐射单元坐落在天线PCB板4个角落。通过暗室测量天线回波损耗和各个端口的插入损耗,图8为天线仿真和测量回波损耗图。

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    测量天线工作频段在回波损耗小于-10 dB阻抗带宽条件下,天线工作频段为3。45 GHz~3。64 GHz。在回拨损耗小于-6 dB阻抗带宽条件下,天线工作频段为3。23 GHz~

3。96 GHz。仿真天线和实际测量天线出现带宽误差。天线仿真和实际测量进行对比,发现实际测量中心频段和仿真天线中心频段略有偏差,测量天线的工作频段阻抗带宽小于仿真阻抗带宽。图9为天线仿真和测量插入损耗图。

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    仿真和实际测量结果大体一致,天线端口之间隔离度良好。实际测量插入损耗小于-10 dB阻抗带宽,满足天线工程应用的指标要求。图10为仿真计算和测量结果计算包络相关系数图。

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    仿真计算得到的ECC与实际测量计算得到的ECC相近,其测量计算得到的ECC小于0.2。本文设计的天线有良好的隔离度。手机传输过程中有上下行频段,测量时选择两个测试频点对天线进行方向图测量,图11测试频点为3.45 GHz,图12测试频点为3.55 GHz 。

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    测量天线E面和H面与仿真平面方向图进行对比,天线在3。45 GHz和3。55 GHz处E面和H面均呈现全向性;方向图没有发生畸变,具有良好的辐射特性和全向性。图13为天线测量辐射效率图。

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    MIMO天线的辐射效率在65%~73.4%之间,相比于测试天线辐射单元,天线辐射效率提高了3%~8%左右。本文设计的4单元MIMO天线辐射效率在实际工程中满足应用条件的需求。

3 天线对人体辐射吸收(SAR)的分析

    现代人们越来越关注电子产品对人体的影响,一些实验已表明电磁辐射对人体具有潜在的影响[11]。目前在欧美日等发达国家,手机辐射问题受到公众的关注,不同的国家对手机电磁辐射安全标准的规定有所不同。1997年,美国FCC公布了手机电磁安全评价标准,规定的SAR值为1.6 W/kg。从1999年2月1日起,欧洲开始实行手机电磁辐射防护,标准SAR值为2.0 W/kg。本文应用XFDTD7.3版本,对人体头部电磁学SAR进行仿真,图14为人体和天线建模仿真图。

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    仿真天线在人体头部左侧距离3.5 mm左右的位置。XFDTD提供的人体模型拥有人体头部上半部分器官,软件内部模型提供器官、血液、骨骼等较多的仿真模型。图15为人体吸收电磁仿真情况。

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    通过XFDTD软件分析,天线主要辐射在左侧脑部、脸颊和耳部。表2为仿真人体各个部分吸收情况。其中N78频段为3。3~4。2 GHz频段。

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    从表2 SAR吸收比率可以看出,天线辐射最高为1.572 W/kg。天线整体辐射小于1.6 W/kg标准,满足天线在人体辐射SAR设计中的需求。

4 结论

    本文提出了一种面向5G高隔离度4单元MIMO天线,天线工作在5G测试频段。全向性的辐射满足手机天线设计要求。天线留出净空区,设计的圆形开槽结构拥有更好的隔离度,防止天线结构和射频电路、手机元器件耦合,天线辐射效率良好。通过仿真分析SAR吸收比率,结果显示吸收值小于标准(1.6 W/kg)。本文设计的天线可给未来5G天线设计研发提供一定的设计参考。

参考文献

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[3] 本刊讯.通信工程  爱立信和中国联通宣布在青岛港打造5G智慧码头[J].中国工程咨询,2019(4):98.

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[7] 张范琦,项铁铭,王龙龙.基于LDS工艺的多频段手机天线设计[J].杭州电子科技大学学报(自然科学版),2015,35(2):13-15.

[8] 谢拥军,王正鹏,苗俊刚,等.5G射频室内测试的关键技术[J].电子技术应用,2018,44(7):11-16.

[9] JENSEN M A,WALLACE J W.A review of antennas and propagation for MIMO wireless communications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2004,52(11):2810-2824.

[10] VAUGHAN R G,ANDERSEN J B。Antenna diversity in mobile communications[J]。IEEE Transactions on Vehicular Technology,1987,36(4):149-172。

[11] DIMBYLOW P J,HIRATA A,NAGAOKA T,et al.Inter-comparison of whole-body averaged SAR in european and japanese voxel phantoms[J].Physics Medicine & Biology,2008,53(20):5883-5897.



作者信息:

周  凯1,王睿乔1,赵志恒2

(1.哈尔滨工程大学 信息与通信学院,黑龙江 哈尔滨150001;2.中国科学院光电研究院,北京100004)

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