王 煊 杜正偉

(清華大學(xué)電子工程系微波與數(shù)字通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室(籌)，北京 100084)

1.引 言

在基站和移動(dòng)終端中都采用多輸入多輸出天線的MIMO(Multiple Input Multiple Output)技術(shù)，由于其可提高傳輸速率和改善傳輸質(zhì)量的能力而被認(rèn)為是下一代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)[1]。但受到移動(dòng)終端尺寸的限制，在移動(dòng)終端中設(shè)計(jì)具有低互耦及高效率的多個(gè)天線單元是十分困難的。在現(xiàn)代無線通信中，為了實(shí)現(xiàn)多功能，通常需要所使用的天線具有寬頻或者多頻帶的性能。因此，在移動(dòng)終端中設(shè)計(jì)寬頻或者多頻段的多天線系統(tǒng)依然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，大多數(shù)的MIMO天線設(shè)計(jì)都是兩個(gè)天線單元的情況。只有很少的論文中給出了四單元天線設(shè)計(jì)的實(shí)例[2-4]。文獻(xiàn)[2]給出了一款用于便攜MIMO設(shè)備中的四單元天線設(shè)計(jì)，但是該天線單元只能工作在2.4 GHz WLAN頻段。文獻(xiàn)[3]給出了一款超寬帶的四單元天線設(shè)計(jì)，它的工作頻帶從2 GHz到6 GHz。但是該天線的尺寸太大，并不適合于移動(dòng)終端。文獻(xiàn)[4]給出了一款支持選擇功能的四單元天線的設(shè)計(jì)方案，但是這款天線只能覆蓋UMTS頻段，并不能覆蓋2.4 GHz WLAN頻段。

本文提出了一款用于翻蓋手機(jī)中的四單元天線，它能夠覆蓋UMTS(1920～2170 MHz)和2.4 GHz WLAN(2400～2484 MHz)兩個(gè)工作頻段。其 -10 dB 阻抗帶寬從1870 MHz 到2560 MHz.在整個(gè)工作頻帶內(nèi)，天線單元之間的互耦均不超過-10 dB.本文的第二部分，給出了天線的結(jié)構(gòu)及具體的尺寸。第三部分通過參數(shù)分析研究了天線的性能；在這部分，也給出了天線原型的實(shí)測結(jié)果，包括天線的回波損耗、天線單元之間的互耦，以及天線單元的輻射方向圖。

2.天線結(jié)構(gòu)

所提出的天線的結(jié)構(gòu)及具體尺寸見圖1，這款四單元天線系統(tǒng)的正面和背面見圖1(b)～圖1(e)。該天線印刷在兩塊尺寸相同的FR4介質(zhì)板上。每塊介質(zhì)板的尺寸均為99 mm×54 mm×0.8 mm.介電常數(shù)均為4.4.介質(zhì)板被認(rèn)為是翻蓋手機(jī)中的電路板。如圖1(a)所示，地板1和地板2分別被認(rèn)為是翻蓋手機(jī)中蓋子部分及鍵盤部分的地板平面。這兩部分互相平行，通過一個(gè)8 mm×6 mm的金屬片進(jìn)行連接。這樣，該天線系統(tǒng)中的四個(gè)天線單元就能夠有一個(gè)共同的地平面。

如圖1(c)所示，地板1由兩部分組成：一部分是一塊長84 mm，寬54 mm的矩形主地板平面，另一部分是一塊帶有彎折線的十字形地支結(jié)構(gòu)，該地支結(jié)構(gòu)的總高度為15 mm，如圖1(e)所示。地板2有著和地板1相同的結(jié)構(gòu)，但是其具體尺寸略有不同。地板2中的矩形主地板平面長89 mm，故而地板2中的十字形地支的高度只有10 mm.這款天線中引入的十字形地支結(jié)構(gòu)不僅能夠拓展天線單元的阻抗帶寬，而且能夠減小天線單元之間的互耦。地支結(jié)構(gòu)對(duì)天線性能影響的具體討論見本文的第三部分。天線系統(tǒng)中使用的四個(gè)天線單元均為簡單的倒L形單極子天線，每一個(gè)單極子天線均由50 Ω微帶線直接進(jìn)行饋電。其中，天線單元1和天線單元2直接印刷在介質(zhì)板的正面，天線單元3和天線單元4是三維結(jié)構(gòu)的天線單元。這兩個(gè)天線單元超出主地板平面的部分沿著圖1(d)中的虛線向兩塊主地板之間的縫隙處彎折，這樣放置天線單元可以進(jìn)一步減小天線單元的尺寸。所有的四個(gè)天線單元都有相似或者對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)四個(gè)天線單元的功率平衡。天線系統(tǒng)的具體尺寸見圖1.

(a) 天線三維結(jié)構(gòu)圖

(b) 天線單元1和天線單元2全視圖(黑色、灰色分別表示介質(zhì)板正面和背面的金屬部分)

(c) 天線單元1和天線單元2的地支結(jié)構(gòu)

(d) 天線單元3和天線單元4全視圖(黑色、灰色分別表示介質(zhì)板正面和背面的金屬部分)

(e) 天線單元3和天線單元4的地支結(jié)構(gòu)圖1 天線結(jié)構(gòu)(單位：mm)

3.參數(shù)分析及天線性能

為了得到更好的天線性能，我們做了大量的仿真研究，對(duì)天線的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。在本文中，所有的仿真結(jié)果都是通過高頻仿真軟件HFSS得到的。由天線結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和互易原理可知，該天線系統(tǒng)的S參數(shù)滿足以下關(guān)系：S11=S22，S33=S44，S12=S21，S34=S43，S13=S31=S24=S42，S14=S41=S23=S32.在參數(shù)分析的過程中，當(dāng)某個(gè)參數(shù)變化時(shí)，其他的參數(shù)取圖1中所示的值。

圖2 有短銅條和沒有短銅條兩種情況下天線單元1和天線單元2(S11=S22)的帶寬變化

圖1(c)和圖1(d)中的短銅條對(duì)該天線系統(tǒng)的性能影響很大。圖2給出了有短銅條和沒有短銅條兩種情況下天線單元1和天線單元2(S11=S22)的阻抗帶寬的變化情況。從圖中可以看出，地支結(jié)構(gòu)上加入短銅條會(huì)使得天線的整個(gè)工作頻段向低頻端移動(dòng)。天線單元3和天線單元4在有短銅條和沒有短銅條兩種情況下的帶寬變化情況也與之類似。因此，為了使得設(shè)計(jì)的天線系統(tǒng)覆蓋UMTS頻段，在地支結(jié)構(gòu)中加入短銅條是必要的。

天線系統(tǒng)中使用的十字形地支結(jié)構(gòu)不僅能夠拓展天線單元的阻抗帶寬，而且能夠降低天線單元之間的互耦。十字形地支結(jié)構(gòu)中最重要地影響天線性能的參數(shù)是d1，h1，d2和h2，這些參數(shù)標(biāo)示在圖1(c)和圖1(e)中。圖3給出了天線單元3和天線單元4(S33=S44)的阻抗帶寬隨d2的變化情況，圖4給出了天線單元3和天線單元4之間的互耦隨d2的變化情況。從圖中可以看出，隨著d2的增大，天線單元的-10 dB阻抗帶寬會(huì)減小。但是，d2越大，天線單元之間的互耦越小。因此，在選擇參數(shù)d2時(shí)，需要在天線的帶寬和互耦之間取一個(gè)折衷。圖5中所示為天線單元3和天線單元4(S33=S44)的帶寬隨h2的變化情況。由圖可知，h2增大會(huì)減小天線單元的阻抗帶寬。圖6給出了參數(shù)h2對(duì)天線單元3和天線單元4之間互耦的影響。h2越大，越有助于減小兩天線單元之間的互耦。因此，同d2的選擇類似，h2的選擇也存在著在帶寬和互耦之間取折衷的問題。參數(shù)d1和h1對(duì)于天線單元1和天線單元2性能的影響情況與上述d2和h2對(duì)天線單元3和天線單元4的影響類似。在這款天線的設(shè)計(jì)中，合理選擇d1、h1、d2和h2的參數(shù)值成為優(yōu)化天線性能的一個(gè)關(guān)鍵問題。

圖3 天線單元3和天線單元4的帶寬(S33=S44)隨d2的變化情況

圖4 天線單元3和天線單元4的互耦隨d2的變化情況

圖5 天線單元3和天線單元4的帶寬(S33=S44)隨h2的變化情況

綜合考慮了天線系統(tǒng)的帶寬和互耦之后，選擇一組參數(shù)值(d1、h1、d2、h2)=(10 mm、1 mm、8 mm、2 mm)作為該天線系統(tǒng)的最終尺寸。為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，作者制作了一款該天線系統(tǒng)的天線原型并對(duì)其性能進(jìn)行了測量。實(shí)測的天線帶寬情況見圖7，實(shí)測的天線單元之間的互耦情況如圖8所示。從圖中可以看到，該天線系統(tǒng)公共的-10 dB阻抗帶寬從1870 MHz到2560 MHz，覆蓋了UMTS和2.4 GHz WLAN兩個(gè)頻段。而在工作頻帶范圍內(nèi)的天線單元之間的互耦均不超過-10 dB.

除了S參數(shù)，作者還在微波暗室中測量了該天線系統(tǒng)在2050 MHz和2450 MHz兩個(gè)頻點(diǎn)的遠(yuǎn)場輻射方向圖。圖9給出了四個(gè)天線單元2050 MHz時(shí)在三個(gè)正交平面內(nèi)(x-y平面、x-z平面和y-z平面)的增益方向圖。從圖中可以看出，這四個(gè)天線單元的方向圖在空間中具有互補(bǔ)的特性，尤其是在x-y平面和y-z平面內(nèi)。這樣的性質(zhì)有助于獲得方向圖分集增益。2450 MHz時(shí)的方向圖與圖9類似，為簡潔起見，這里沒有畫出。

圖6 天線單元3和天線單元4的互耦隨h2的變化情況

圖7 天線系統(tǒng)的實(shí)測帶寬情況

圖8 天線系統(tǒng)的實(shí)測互耦情況

(a) x-y平面

(b) x-z平面

(c) x-z平面圖9 四單元天線系統(tǒng)在2050 MHz時(shí)的實(shí)測增益方向圖

包絡(luò)相關(guān)系數(shù)ρe和平均有效增益MEG是MIMO/分集天線系統(tǒng)的重要參數(shù)。由文獻(xiàn)[5]中定義的無線傳播環(huán)境和文獻(xiàn)[6]中提供的計(jì)算方法，這兩個(gè)參數(shù)可以由實(shí)測的輻射方向圖計(jì)算得到。計(jì)算結(jié)果見表1。表中的參數(shù)Г是入射場的交叉極化分辨率(垂直極化與水平極化的功率密度之比)。在本文中，取Г為0 dB和6 dB，分別代表了室內(nèi)和城區(qū)環(huán)境中的典型值[7]。從表中的計(jì)算結(jié)果可以看出：這款四單元天線系統(tǒng)滿足對(duì)于分集天線的性能要求，即ρeij<0.5和Pi≈Pj(|MEGi-MEGj|<3 dB；i，j=1，2，3，4；i≠j)[7]。該結(jié)果表明：這款四單元天線系統(tǒng)能夠提供很好的分集性能。

表1 四單元天線系統(tǒng)的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)ρe和平均有效增益MEG

注：MEG：平均有效增益

4.結(jié) 論

本文給出了一款用于翻蓋手機(jī)中的四單元天線設(shè)計(jì)。它四個(gè)天線單元公共的-10 dB阻抗帶寬從1870 MHz到2560 MHz，覆蓋了UMTS和2.4 GHz WLAN兩個(gè)工作頻段。在整個(gè)工作頻段內(nèi)，天線單元之間的互耦最大不超過-10 dB.文中還討論了一些重要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)天線性能的影響。計(jì)算得到的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)和平均有效增益結(jié)果證明該天線系統(tǒng)能夠提供很好的分集增益。

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