支 周, 禹 忠,2, 梁 琛, 劉 溪

(1. 西安中興新軟件有限責任公司， 陜西 西安 710114； 2. 西安理工大學 自動化學院， 陜西 西安 710048； 3. 西安郵電大學 計算機學院， 陜西 西安 710121； 4. 西安交通大學 軟件學院， 陜西 西安 710049)

一種低頻段高隔離度的LTE手機天線系統(tǒng)

支 周1, 禹 忠1,2, 梁 琛3, 劉 溪4

(1. 西安中興新軟件有限責任公司， 陜西 西安 710114； 2. 西安理工大學 自動化學院， 陜西 西安 710048； 3. 西安郵電大學 計算機學院， 陜西 西安 710121； 4. 西安交通大學 軟件學院， 陜西 西安 710049)

針對手機低頻高隔離度天線設計要求，研究移動終端四天線系統(tǒng)空間布局、耦合機理及解耦方法，提出一種采用T型地枝組合低頻段寬帶低互耦的天線設計方法。利用用仿真軟件，分析并設計一個可用于5.7英寸手機的低頻段高隔離度四天線系統(tǒng)，實驗測試數(shù)據(jù)表明，新設計方法可提升多天線系統(tǒng)性能。

移動終端；多入多出天線；互耦

新一代寬帶移動通信系統(tǒng)采用多輸入多輸出(Multiple Input and Multiple Output, MIMO)技術[1-2]，在移動通信系統(tǒng)的收發(fā)端分別安裝多個天線，利用多天線提供的并行子信道來提高系統(tǒng)容量[3]。要在移動終端集成多個天線，并優(yōu)化移動終端MIMO系統(tǒng)的性能，移動終端中的多個天線必須相互獨立，即天線間的互耦要低。

要減小天線單元間的耦合，可以利用天線單元的空間布局或者天線單元的指向[4]，或者利用正交的天線形式或者正交的饋電結構[5]，也可利用寄生單元[6]、地枝結構[7]、中和線技術[8]及解耦網絡[9]加以實現(xiàn)。不過，這些方法所涉及的多天線系統(tǒng)大多工作在高頻段，難以兼顧小尺寸和寬頻帶的要求。另外，現(xiàn)有低互耦技術的解耦帶寬均較窄，也不能滿足寬帶/多頻帶的應用需求，且部分低互耦技術天線占據(jù)空間較大，不能滿足小型移動終端的小尺寸需求[10]。

本文擬采用雙倒T型地枝組合的寬帶低互耦技術，設計一個低頻段、小型低互耦的寬帶4×4 MIMO手機天線系統(tǒng)，仿真分析折疊T型地枝對S參數(shù)的影響，并對其性能進行實測驗證。

1 系統(tǒng)結構設計

1.1 移動終端寬帶四天線系統(tǒng)模型

利用雙天線系統(tǒng)作為基本設計單元，兩個雙天線系統(tǒng)可以構成一個四天線系統(tǒng)。將兩個雙天線系統(tǒng)分別安裝在介質板的上下兩側，所得四天線系統(tǒng)的耦合等效模型如圖1所示。模型結構具有對稱性，故可簡化為兩個兩單元天線進行分析。

(a) 天線單元1和天線單元3

(b) 天線單元1和天線單元4

由圖1(a)，天線單元1被激勵時，會在介質板上感應兩個耦合電流路徑，并在天線單元3處疊加。耦合到天線單元3上的電流可以表示為[11-12]

I3=Ic13e-jβ(L+W)+Ic23e-jβ(L+W)=(Ic13+Ic23)e-jβ(L+W),

其中Ic13為沿路徑1到天線單元3的耦合電流，Ic23為沿路徑2到天線單元3的耦合電流，L表示介質板長度，W表示介質板寬度。由于路徑1和路徑2的長度相同，且在天線單元3處總同向相加，故改變介質板長度和寬帶不會減小互耦。

由圖1(b)，天線單元1被激勵時，會在介質板上感應兩個耦合電流路徑，并在天線單元4處疊加。耦合到天線單元4上的電流可以表示為[11-12]

I4=Ic34e-jβ(L+2W)+Ic44e-jβL=(Ic34e-j2βW+Ic44)e-jβL,

其中Ic34為沿路徑3到天線單元4的耦合電流，Ic44為沿路徑4到天線單元4的耦合電流。路徑3和路徑4的長度不同，在天線單元4處可能會反相疊加抵消，此時改變介質板寬度可以改變互耦。

改變介質板的長度和寬度，觀察天線單元1和天線單元3，以及天線單元1和天線單元4之間的耦合情況，據(jù)此可驗證模型的正確性。

等效模型兩個雙天線系統(tǒng)間的互耦，緣于介質板上耦合電流的流動。實際天線設計中，介質板長度由移動終端尺寸決定，不能隨意改變。為了減小兩個兩單元天線間的耦合，必須抑制介質板上耦合電流的流動。

1.2 天線結構

應用T型地枝解耦方法，設計一個低頻段寬帶四天線與一個用于5.7英寸屏幕的多模多頻段四天線手機終端。

四個天線放置于PCB主板的四個角，采用支架加FPC走線方式，如圖2所示。天線的凈空區(qū)在上下兩端各保留22 mm的寬度，采用微帶饋電方式。支架高度設計為5 mm。四個天線的工作頻段均為824～960 MHz，包含頻段5和頻段8。四個天線均采用單極子形式。

圖2 四天線布局

四天線系統(tǒng)如圖3所示，包括水平主板、左側板以及右側板，共三個FR4介質板，其厚度均為0.8 mm，相對介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.02。系統(tǒng)由兩個對稱的雙天線系統(tǒng)和一個解耦單元構成。雙天線系統(tǒng)位于主板的上下兩端，解耦單元由兩個折疊T型地枝構成，位于主板兩側和左/右側板的中間位置。為了激勵四天線系統(tǒng)，將介質板下面印制四條寬度為1.5 mm的50 Ω微帶饋線。實驗中，端口1至端口4通過過孔連接到50 Ω的SMA頭。

圖3 四天線系統(tǒng)結構

2 仿真及實測

利用時域有限差分(FDTD)方法[11-12]評估四天線系統(tǒng)模型在沒有T型地枝和有T型地枝時的S參數(shù)，結果如圖4所示。

(a) 無T型地枝時的S參數(shù)

(b) 有T型地枝時的S參數(shù)

從圖4(a)可見，當無T型地枝時，S12、S13和S14在工作頻帶內均大于-15 dB。

對于S12，可通過優(yōu)化三條中和線參數(shù)來解耦。對于S13和S14，使用T型地枝來抑制。為減小T型地枝占用面積，將其折疊在主板和兩個側板上。折疊T型地枝的作用效果如圖4(b)所示，其中S13和S14都小于-15 dB。由于T型地枝改變介質板電流分布，故折疊T型地枝改變了S11和S12。

如圖5所示，在射頻屏蔽室中使用R&S公司ZVB8 矢量網絡分析儀測試天線隔離度。將待測天線放置于泡沫支撐臺上，待測兩天線端口連接帶鐵氧體扼流環(huán)的射頻線，再通過射頻長線連接到矢網 P1/P2 端口。非測試天線端口連接 50 Ω匹配負載，測試S12參數(shù)。更換天線端口，重復以上步驟，直至遍歷所有測試端口。

圖5 天線隔離度測試

在全電波暗室中(圖6)測試天線效率與平均增益。連接測試系統(tǒng)，根據(jù)被測天線支持頻率設定參數(shù)，并校準測試系統(tǒng)，連接被測天線端口 1，其它端口接 50 Ω負載，轉臺旋轉步長設置為10°，然后連接被測其它天線端口。重復上述步驟，完成測試。

圖6 天線全電波暗室

對天線結構參數(shù)進行優(yōu)化后，可得四天線系統(tǒng)工作在頻段5和頻段8時的實測三維輻射方向圖(圖7)。四個天線單元的輻射方向圖空間互補，利用方向圖分集可以對抗多徑衰落。

(a) 頻段5

(b) 頻段8

實測四天線手機系統(tǒng)的輻射效率、平均增益和天線隔離度的測試結果分別如表1、表2和表3所示。所有天線在工作頻段的輻射效率均不低于40%。天線在頻段8上的輻射效率大于在頻段5上的輻射效率。所有天線在工作頻段天線增益均大于0 dBi。表3中，ISO1-2即天線1端口與天線2端口的隔離度，其它符號含義類似。頻段5和頻段8工作頻段內不同天線端口之間平均隔離度均大于15 dB。

表1 四天線系統(tǒng)輻射平均效率

表2 四天線手機平均增益/dBi

表3 手機天線隔離度/dB

仿真數(shù)據(jù)表明，T型地枝可以改變介質板電流分布，折疊T型地枝可以改變S11和S12。實測數(shù)據(jù)說明T型地枝天線的設計方法實現(xiàn)了較好的輻射效率，平均增益和隔離度水平。

3 結語

針對手機終端的低頻段天線在LTE四天線MIMO通信中存在尺寸較大，并受限手機尺寸，而存在隔離度和帶寬難于提高的問題，提出一種T型地枝組合寬帶低互耦技術。仿真分析可驗證該方法的有效性。手機終端的多模多頻段四天線系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)表明，該方法可以實現(xiàn)較高輻射效率、平均增益和隔離度。

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[責任編輯:瑞金]

An antenna system for LTE with Low frequency and high isolation

ZHI Zhou1, YU Zhong1,2, LIANG Chen3, LIU Xi4

(1. Xi’an ZTE New Software Co. Ltd., Xi’an 710114, China; 2.School of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China;3.School of Computer Science and Technology, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China;4.School of Software, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To match the requirements for low frequency and high isolation mobile antennas, the spatial configurations for mobile terminals with four antennas are studied, furthermore, both coupling theory and decoupling techniques are exploited, after this, a MIMO antenna design technique for 5.7 inches mobile terminal which consists of four antennas with T-shape slots is proposed. Experiments are done to show that the proposed technique works in a better performance.

mobile terminal, multi-input multi-output antenna, mutual coupling

2015-04-20

國家自然科學基金資助項目(61373166)；陜西省教育廳產業(yè)化培育計劃資助項目(2012JC22)

支周(1976-)，男，碩士，工程師，從事終端技術研究。E-mail:zhi.zhou@zte.com.cn 禹忠(1973-),男，博士，教授，從事終端技術及電磁場技術研究。E-mail:yv.zhongxa@zte.com.cn

10.13682/j.issn.2095-6533.2015.05.004

TN929.5

A

2095-6533(2015)05-0024-04