一种可用于5G 移动终端的小尺寸MIMO 天线设计

唐晓菀

（兴义民族师范学院，贵州兴义，562400）

0 引言

随着5G 技术的发展，移动通信系统的信息传输量非常庞大，并呈指数式增长趋势。但是目前移动终端设备的通信系统及传输系统的技术却稍显落后，无法支持大信息量的需求。因此，大幅度提高手持移动终端设备天线的信道容量对5G 技术的近一步发展起到至关重要的作用。多输入多输出技术通过增加信道数目，是实现移动通信超高容量的技术之一[1，2]。5G 频段分为6GHz 以下波段及30GHz 以上波段。MIMO 技术利用大量的天线单元组成阵列系统可以在6G 以下的频段内实现更高的传输速率。移动终端设备需要支持各种需求，集成了各种传感器和天线系统，如重力传感器、光线传感器、加速度传感器、蓝牙天线、WIFI 天线等。将MIMO 技术应用在手机天线中，的确可以提高信道容量，但当集成四个、六个类似的天线单元时，手机的空间将会不足，且各种结构中金属的部分会对手机内部集成的天线产生很大的信号干扰[3]。因此，在手机有限的空间中放置多单元天线模块提高信息传输量并且使多个天线之间具有良好的隔离度和ECC 具有非常重要的研究意义。

近来年，对于如何提高手机等移动终端设备的MIMO天线阵列间的隔离度及缩小天线尺寸，已进行了大量的研究。文献[4]提出一种新型自解耦天线对结构，通过把天线设置在手机设备的侧立面来提高天线间的隔离度。然而该结构无法用于金属边框手机设备中，且手机侧立面的介质基板宽达10mm，这并不符合消费者对于手机外观的追求。文献[5]提出一种紧凑型高隔离度双频 MIMO 天线的设计，该设计通过嵌入六边形谐振环实现双频，减少了天线个数，同时通过刻蚀矩形缝隙去除耦合效应。但是整个结构较为复杂，加工实现难度大，难以应用于已经安装了多天线结构的手机设备中。

本文提出一种将两个天线单元完全重叠放置，缩减天线尺寸的方法。两单元模块由一个缝隙天线和一个环形天线组合，重叠放置后共享一个矩形净空区域。在多单元模块中通过刻蚀矩形缝隙，使得相邻天线间的隔离度高于17.4dB。结果表明，采用两单元天线重合放置和缺陷地方法结合，不需要增加去耦结构就可实现高隔离度。

1 两单元小尺寸MIMO 天线设计

■1.1 MIMO 技术

在无线通信系统中，在发射和接收端使用多个天线即被称为多输入多输出技术。分析MIMO 技术主要为了研究MIMO 信道容量和包络相关性。

多输入多输出通信理论基于矩阵原理，即信道矩阵H[6]。图1 为MIMO 信道框图。

图1 MIMO 信道框图

H 中包含各种环境因素，包括散射、遮挡和衍射等。多天线发射端和接收端的每种组合都有自己的传递函数hmn，这类似单输入单输出系统的传递函数[7]。这就构成了信道矩阵：

根据信道矩阵和已经定义的噪声ρT可以快速确定最大信道容量C。

I表示单位矩阵，nT表示发射天线的个数，符号“+”表示共轭转置。

相关系数(ρ)是衡量通信信道之间的隔离程度或相关情况的一种参数。天线在工作时会产生辐射方向图，而多个天线共同工作时的辐射方向图会发生相互影响，ρ的平方被即为包络相关系数(ρc)。在各向同性的传播环境中，ECC 可以用远场方向图来进行计算：

上式中，Ω 为立体角，Fi(θ,ϕ)和Fj(θ,ϕ)分别为第i个和第j 个天线单独馈电，其他端口接匹配负载时的三维远场辐射方向图。可以看出，多输入多输出天线系统中可以隔离度和降低包络相关性，来降低信号衰减阶数[8]。

■1.2 天线结构设计

本文设计的小尺寸天线结构如图2 所示，选用相对介电常数为4.4 的FR4 基板，长、宽、厚度分别为145mm、75mm、0.8mm。金属地板印刷在基板上表面。基板的左右两部分留出了10mm 的净空区，用于放置手机的其他天线，如4G 天线等。

图2 重叠两单元模块结构图

图2 中红色虚线框是两单元模块重合放置的结构示意图，从示意图可以看出两单元天线由一个L 型微带天线、一个开口缝隙组成。其中开口缝隙中是环状天线（小红色矩形块）及9.1nH 的芯片电感（蓝色矩形块）构成，L 型微带天线印刷在介质板的背面，垂直段尺寸为8mm×1.5mm，水平段尺寸为5mm×0.4mm。小尺寸两单元矩阵模块宽度仅有1mm，长度为28.5mm。两天线单元共享一块矩形净空区域，通过改变电感的取值可以改善环状天线的阻抗匹配。

通过仿真软件对两单元模块进行仿真测试，图3 中S11、S22 曲线分别是两单元模块中环天线、微带电线的谐振频率的仿真视图。可以看出两单元天线模块在频段3.4～3.6GHz 具有良好的阻抗特性，天线间的隔离度高于18dB。该天线模式满足MIMO 天线端口隔离度大于15dB的要求，并且长度尺寸缩减量大于50%。

图3 仿真S 参数曲线

■1.3 去耦原理

由缝隙天线和L 型微带天线组成的两单元模块，因为结构上重叠并且共享净空区域，所以大大缩小了天线的尺寸。我们进一步分析该模块具有高隔离度的原因。

手机等移动终端设备内部集成多个任务功能，为了保证其天线能够进行全天候工作，往往设置净空区域。缝隙的尺寸大小影响缝隙天线的谐振频率，对于环状天线的影响微弱。因此净空区域的长度对天线模块的影响，主要关注缝隙天线的谐振变化。通过不断的实验得出，净空区域的长度取28.5mm 时，天线间的阻抗匹配特性良好。

当图1 中环天线(Ant1)馈电时，其馈电电流方向呈平行于地板长边方向分布。当图1 缝隙天线(Ant2)馈电时，其馈电电流方向呈垂直于地板长边方向分布。因此Ant1 和Ant2 馈电时，感应出的地板电流方向上是相互垂直的，因此有效减小了来自地板电流上的耦合。

2 四单元天线阵列设计

5G 移动终端设备通常采用增加天线数量来提高信道容量，基于上文提到的重叠两单元模块设计出一款四单元天线阵列。图4 为四单元MIMO 阵列天线结构图，4 单元天线模块放置在同一侧，由两个相同的重叠两单元模块构成。金属地板长度为125mm，净空区域长28.5mm，净空区域与金属地板边界还需留出间隙，取5mm，那么两个相同模块间的间距d 为58mm。

图4 四单元MIMO 阵列天线结构图

设计的四单元MIMO 天线阵列的反射系数和传输系数如图5 所示。从数据结果得出，在3.4～3.6GHz 频段，所有单元的反射系数都小于6dB，但是由于不同模块间有耦合效应，天线1 和天线3 之间的隔离度小于15dB，这不能满足MIMO 阵列天线的设计要求。

图5 四单元MIMO 阵列天线仿真S 图

天线馈电时会在金属地板上形成馈电电流，当多个天线馈电时，地板上的馈电电流会发生干扰[6]。本文设计一种缺陷地结构，在金属地板上刻蚀一条长度为λ/4 矩形槽，刻蚀的矩形槽改变了电流的路径从而抑制了天线间的互耦效应。具体的结构如图6 所示。

图6 四单元MIMO 阵列天线缺陷结构图

对所设计的天线结构进行仿真测试，结果表明，本文提出的方案在隔离度、反射系数和 ECC 方面拥有优势。如图7所示，天线1 与天线2 的隔离度为16.2dB，天线1 与天线3的隔离度提升到17.4dB。完全符合MIMO 阵列天线设计要求。

图7 四单元MIMO 阵列天线缺陷结构的仿真S 参数

3 总结

本文设计了应用于 MIMO 终端的小尺寸天线阵列阵。通过将环形天线与微带天线叠加来缩减天线尺寸，为了提高天线间的隔离度，研究了地板开槽对天线间互耦效应的影响，发现地板端口间的耦合电流得到抑制，在整个带宽内端口隔离度都得到了提高，有利于天线应用到 MIMO 移动终端设备。