面向5G高隔離度4單元MIMO手機天線設(shè)計.docx

1、導(dǎo)讀：5G賦能企業(yè)級客戶和垂直行業(yè)的智慧化發(fā)展，為運營商和產(chǎn)業(yè)合作伙伴帶來新的商業(yè)模式，開啟一個全連接的新時代，然而而對未來更多樣化的業(yè)務(wù)需求和更復(fù)雜的通信場景，低成本和高性能的終端成為5(；規(guī)模商用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時，5G大帶寬、高頻段、多制式的特點為終端的實現(xiàn)提出了更高的要求。電子技術(shù)應(yīng)用雜志2019年第11期推出“5(；終端關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)”主題專欄，論文內(nèi)容涵蓋了5G終端的MIMO天線實現(xiàn)、圣米波網(wǎng)絡(luò)終端接入等關(guān)健技術(shù)與流程，期待為5G時代終端技術(shù)的發(fā)展提供有益的借鑒。特約主編：朱雪田，北京郵電大學(xué)工學(xué)博士，教授級高級工程師，中關(guān)村國家自主創(chuàng)新示范區(qū)高端領(lǐng)軍人才，北京郵電大學(xué)通信與信息專業(yè)工

2、程碩士導(dǎo)師，現(xiàn)就職于中國電信智能網(wǎng)絡(luò)與終端研究院長期從事4G/5G移動通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新與研發(fā)工作，作為項目組長先后負責多個4C/5G領(lǐng)域的移動通信國家重大項目，發(fā)表學(xué)術(shù)論文超過50篇，發(fā)明專利100余篇，個人專著3本。面向5G高隔離度4單元MIM0手機天線設(shè)計周凱'，王容喬I,趙志恒2(1.哈爾濱r程大學(xué)信息與通信學(xué)院.黑龍江哈爾濱150001；2.中國科學(xué)院光電研究院.北京KXXXM)摘要：設(shè)計了一個4單元高隔離度手機天級，由4個輻射單元組成，輻射單元分別位于天線的4個角落對天線輻射單元進行分析測試，測量大線輻射單元工作頻段為3.43GHz-3.86GHz，覆蓋5G移動通信測試頻

3、段。MIMO天線工作頻段在端口回波損耗小于-10(1B阻抗帶寬條件下，工作頻段為3.45(；Hz3.64(；Hz；在端口回波損耗小于-6(IB阻抗帶寬條件下，夭線,工作頻段為3.23GHz-3.96GHz新設(shè)計的圓形開槽結(jié)構(gòu)能戒少天線和電子元囂件摑合，并且大線其有良好的全向性和輻射特性。Ml1()天線在3.2GHz4GHz頻率內(nèi)，天殘輻射效率為65%73.4%。仿真表明，腦部輻射SAR(SpecificAbsorptionRate)參敷小于1.6W/kg，天線對人體影響較低關(guān)鍵詞：5(；移動通信；MIMO天線；高隔離度；全向特性；輻射效率；SAR中圖分類號：TN823文獻標識碼：ADOI:1(

4、).16157/j.issn.0258-7998.190800中文引用格式：周凱，王容喬.趙志恒.面向5G高隔離度4單元MIMO手機大線設(shè)計J|.電技術(shù)應(yīng)用.2019.45(11)：1-5.9.英文引用格式：ZhouKai,WangRuiqiao,ZhaoZhiheng.Designfor5Ghighisolationfour-elrinrntMIMOmobileantrnna|J|.ApplicationofElectmnicTechnique.2019.45(11)：1-5.9.Designfor5Ghighisolationfour-elementMIMOmobileantennaZho

5、uKai1,WangRuiqiao1,ZhaoZhiheng2(1.SchoolofInfonnationandCommunicationEngineering.HarbinEngineeringUniversity.Harltin150001.China；2.ChinaAcademyofSciencesInstituteofOptoelectronics,Beijing100004,China)Abstract:Inthispa|>er.thefour-unithigh-isolationmobilephone*antennaisc“mposedoffourradiatingeleme

6、nts,andtheradiatingelementsarel<M'atrdatfourcomersoftheantenna.Theantennaradiatingunitisanalyzedandtested.andtheoperatingfn,-quencybandoftheantennaradiatingunitismeasuredfrom3.43(illzto3.86GHz.coveringthe5Gmobilecommunicationtestfrequencyband.TheworkingfrequencybandoftheMIMOantennais3.45GHz3.

7、64GHzumlrrtheconditionlhaltheportreturnlossislessthan-10<IBimpedancebandwidth,an<ltheantennaworkingfrequencybandis3.23GHz3.96GHzunderthecondi*ti()nthattheportreturnlossislessthan-6dHimpedancebandwidth.Thenewlydesignedcin'iilarslottedstnjctun,reducesthecouplingofantennasandelrctnmiccomponen

8、ts,andIhrantennahasg(MMiomnidirrrtionalandradiativecharacteristics.TheMIMOanlrnnahasaradiationefficiencyof65%-73.4%at3.2GHzto4GHz.Thesinmlalt*(lbrainradiationSAK(specificabsorptionrate)parametersarrlessthan1.6W/kg,andtheantennahasalowimpa<*lonthehumanIxxly.Keywords:5Gmobilecommunication:MIMOanten

9、na；highisolation:omnidirectionalcharacterislic;radiationefficiency;SAR天線底部為環(huán)形開槽結(jié)構(gòu)，開槽縫隙為（）.5mm天線止而為微帶線結(jié)構(gòu)和圓形開槽結(jié)構(gòu)通過50nSMA表】夭線仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)接頭對天線進行連接。圖1天線參數(shù)天線尺寸/mm為天線輻射單元仿真結(jié)構(gòu)IV/30圖，表1為天線尺寸參數(shù)1七11本文應(yīng)用軟件HESS來進*>R3行仿真,相比于其他的仿點的1.5軟件（如CST.FEKO、FDTI）1和XFDTD等）,HFSS對于W,8.5小尺寸窄帶天線仿真更加吧8準確、1.5-30-303540頻率/GHz450引言MIMO

10、無線通信技術(shù)是指在發(fā)射端和接收端使用多個發(fā)射天線和接收天線進行信I；的傳輸和接收，改善整體通信質(zhì)址'。目前,M1M0系統(tǒng)在4G通值中應(yīng)用已經(jīng)卜分成熟，并flMIM0技術(shù)是下一代5（；通信發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)e5G通信頻段主要分為Sub-6GHz和高頻毫米波Sub-6GHz測試頻段為2.5GHz-2.675GHz,3.4GHz-3.8GHz和4.8GHz-4.9GHz國內(nèi)5（；正處于測試當中.電信運營商測試頻段為3.4GHz3.5（；Hz.聯(lián)通運營商測試頻段3.5（；Hz3.6GHz。MIMO天線主要測試指標為糊合隔離度、工作頻段、輻射效率、天線增益和SAR等，本文設(shè)計天線具有輻射全向性和良好

11、的輻射效率H前5（；天線設(shè)計相關(guān)文獻（如文獻4、文獻5和文獻|6|等）都沒有對天線隔離度和凈空區(qū)域進行仃效的設(shè)計和分析，本文在此基礎(chǔ)上合理留出凈空區(qū)域.并且設(shè)計圓形開槽結(jié)構(gòu)訶以有效地降低天線與電子元器件耦合天線在實際加工中更加靈活，可采用電印刷技術(shù)、刻蝕技術(shù)和LDS技術(shù)加工等1MIMO天線單元的設(shè)計MIMO天線輻射單元加工和測試是I分頁要的每個輻射單元具4iQ好的輻射特性.MIMO大線才會具有一個應(yīng)好的輻射性能和輻射效率本文大線輻射單元的介質(zhì)板選用FR-4基板，介電常數(shù)為4.4天線介質(zhì)基板尺寸為30mmx30mmx1.5tnm天線鍍銅的I卓度為0.1mm.天線模型進行實際測試加工，加工方案采用

12、電印刷方式.圖2為天線加工實物圖。（a）大線加工正面圖（b）天線加工背面圖圖2天線加J：實物圖天線單元通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測htS11（回波損耗）參數(shù)，圖3為測ht夭線SI1參數(shù)和仿真SI1參數(shù)對比圖。Sll<-IOdB阻抗帶寬,匚作頻段為3.43GHz-3.86GHzeSll<-6dB阻抗帶寬工作頻段為3.29GHz4.06GHz°匚作頻段帶寬滿足設(shè)計指標要求。 S】仿集SH實測仿氏頻率3.42GHz-20仿fl頊率3.86GHz實W率3.43（；Hz.實測頻率3.86GHz圖3天線問波ftlft（SII）仿f.和測麻對比圖通過暗室測試其方向圖.并判斷其輻射特性是否為全向性天

13、線同。圖4為天線在3.55GHz頻率下的測量方向圖和仿直.圖對比從仿直結(jié)果和測ht結(jié)果來行.測址結(jié)果沒有發(fā)生畸變，在E面輻射呈啞鈴型分布，楸盅到天線整個單元介（時天線正面圖圖1天線仿直飴構(gòu)圖（C天線單元31）結(jié)構(gòu)圖£_*曹(a)天線E面仿直和測址圖e平面彷KE平面實治(b)天線H面仿氏和測彼圖圖4天線卜：面和H面仿(X和測ht對比圖-10-15-20-25-M-35-M-25-20-15-10ffip、尊蕓線輻射單元輻射效率測試圖通過暗室進行測hi,外置測試條件卜天線最高輻射效率能達到70.8%,敞低為57.6%本文設(shè)計天線單元的輻射效率滿足工程應(yīng)用指標。大線單元具有良好的輻射特性。

14、2MIMO天線仿真加工設(shè)計1IMO天線有諸多優(yōu)點,但是需要天線具有良好的隔離度，設(shè)計時應(yīng)該注意天線插入損耗和相關(guān)包絡(luò)系數(shù)等指標相關(guān)包絡(luò)系數(shù)(EnvelopCorrelationCoefficient.ECC)代表不同的天線單元間接收信號幅度之間的相關(guān)性.姑衡htMIMO多天線系統(tǒng)分集性能和隅合性能的參數(shù)指標對于MIMO手機天線，要求ECC在主天線低頻段小于0.5,在高頻段要小于0.4。該值越小代表的分集增益越大。近兒年來出現(xiàn)了很多種計算相關(guān)系數(shù)的方法間.利用天線電路中所測得的S參數(shù)來計算其ECC"°如式(1)所示：ECC=梏飛點§1(1)'V(l-IS2-

15、ISW)x(l-l恥-1sj其中.ECC,代表天線端【1i和/的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)，S.、§為網(wǎng)波損耗，§、S”為插入損,s'=s.圖6為MIMO天線建模仿住圖。質(zhì)基板。H面為全向輻射特性。整體天線輻射單元呈現(xiàn)良好的輻射特性，滿足MIMO天線對天線輻射單元設(shè)計的需求。大線輻射效率是衡依天線是否可用的瓶要指標，在測試天線輻射效率中天線測ht-般分為外置測試和內(nèi)置測試外置測試一般要求輻射效率達到55%85%左右，內(nèi)部測試要求達到20%55%左右。圖5為天圖6MIMO大線仿真圖圖7為MIMO天線加工圖，天線加工采用了電印刷方式進行處理，表面采用抗軾化處理讖大仙9?效拳708%2

16、0-士;銅射效率(a)天線正面圖(b)天線背面圖圖7天線實物加工圖32343.63840頻率/GHz圖5天線輻射效率圖天線PCB板厚度為1.5mm,天線輻射單元坐落在天線PCB板4個角落。通過暗室測站天線回波損耗和各個端II的插入損耗.圖8為天線仿真和測缺回波損耗圖。測依天線工作頻段在回波損耗小于-10dB阻抗帶寬00890:28075706560555045403530252015100581000000000000000000006掐)篇噂玄£春壬實州ECCU2)實洲ECCU.3)實洌ECCU.4)實測ECCC.3)<實測ECCC.4)實測ECC(3.4)1*(ECC(I.

17、2)仍AECCd.3) (hJ*lECC(l.4j(ZlftECC(2.3)* 仿ftECCC.4)彷札ECC(34)2530354045頻率/GHz頻率/（；Hz圖8天線測試仿波損相對比圖條件下天線工作頻段為345GHz3.64GHz。在回撥損耗小于-6<IB阻抗帶寬條件下，天線工作頻段為3.23GHz3.96GHz仿真天線和實際測依天線出現(xiàn)帶寬誤差天線仿真.和實際測依進行對比，發(fā)現(xiàn)實際測ht中心頻段和仿真大線中心頻段略有偏差.測ht天線的I：作頻段阻抗帶寬小于仿真阻抗帶寬圖9為大線仿真和測ht插入損耗圖。圖10天線仿蓋計算和測hl結(jié)果ilW相關(guān)包培系故圖345GH/E'ftf

18、ti仿ft345GH/Eflft23434423434A122322ISSSSSSSSSSSS測測測測測測hnnA食a實實實實實大仿仿仿彷仿仿350(a)3.45GHz天線測試E平面圖3500345GHzHflfri仿真345GH/H1W實刪2530354045頻率/GHz圖9天線插入損仿M和測ht對比圖仿真和實際測ht結(jié)果大體一致.天線端口之間隔離度良好。實際測ht插入損耗小于-10dB阻抗帶寬，滿足天線11程應(yīng)用的指標要求。圖10為仿真計算和測ht結(jié)果計算包絡(luò)相關(guān)系數(shù)圖。仿真計算得到的ECC與實際測量計算得到的ECC相近，其測ht計算得到的ECC小于0.2。本文設(shè)計的天線A應(yīng)好的隔離度。手

19、機傳輸過程中，上下行頻段，測ht時選擇兩個測試頻點對天線進行方向圖測ht,圖11測試頻點為3.45GHz,圖12測試頻點為3.55GHz測ht天線E面和H面與仿真平面方向圖進行對比.天線在3.45GHz和3.55GHz處E面和H面均呈現(xiàn)全向性；方向圖沒有發(fā)生畸變R杓R好的輻射特性和全向性。圖13為天線測址輻射效率圖。（b）3.45GHz天線瀏試H平面圖圖II3.45GHzElAl和H面平面方向圖MIMO天線的輻射效率在65%73.4%之間，相比于測試天線輻射單元，天線輻射效率提高r3%-8%左右,本文設(shè)計的4單元MIMO天線輻射效率在實際工程中滿足應(yīng)用條件的需求。3天線對人體輻射吸收（SAR）

20、的分析現(xiàn)代人們越來越關(guān)注電子產(chǎn)品對人體的影響.一地實臉已表明電磁輻射對人體具有潛在的影響山）。目前在歐美日等發(fā)達國家，手機輻射問題受到公眾的關(guān)注，不90807060Maxradiationefficiency73.4%人射氧牛).MlXKXrtHffttt.«inr«（u«aMinradiationefficiency65°o£<翊安(b)3.55GHz天線測試H平面圖3234363840頻率/GHz圖13天線測缺各個端口輻射效率圖的SAR值為1.6W/kg從1999年2月I日起，歐洲開始實行機電磁輻射防護，標準SAR值為2.0W/kg。

21、本文應(yīng)用XFDTD7.3版本，對人體頭部電磁學(xué)SAR進行仿真,圖14為人體和大線建模仿點圖圖!23.55GHzE面和H面平面方向圖同的國家對手機電磁輻射安全標準的規(guī)定有所不同。1997年,美國FCC公布手機電磁安全評價標準，規(guī)定(a)天線和人體正而圖(b)天線和人體側(cè)面圖圖14XFDTD仿真大線和人體模叫仿真天線在人體頭部左側(cè)距離3.5n)m左右的位置。XFDTD提供的人體模型擁有人體頭部上半部分器Tf，軟件內(nèi)部模型提供器官、血液、骨骼等較多的仿真模型。圖15為人體吸收電磁仿真情況18WAg18W/Ug18W/kg0W/kg05W*q1W/kg15W*g05W/kg(b)人體俯視頭腦圖0W/k

22、g05W/kg1W/kg15W4g-05WAg(a)人體正面圖05W/kg1W/kg15W/kg0W/kg-05W/kg0.5W/kg1Mg1.5W/kg18W/kg(c)人體左腦(手機接收面)圖3)人體右腦圖圖15XFDTI)仿立人體吸收SAR0WAg-05W/kg（下轉(zhuǎn)第9頁）5電子技術(shù)應(yīng)2018,44(9)：9-11,16.110MALTSEVA.BOLOTINI.LOMAYEVA.etal.Usermobilityimpactonmillimeter-wavesystem201610thEuropeanConferenceonAntennas<in(lPn>pa-gatio

23、n(EuCAP),2016.(收稿HJW：2019-06-15)作者簡介：向爽(1995-).女，碩士研究生，主要研究方向：無線通信。(上接第5頁)通過XFDTD軟件分析.天線主要輻射在左側(cè)腦部、臉頰和耳部，表2為仿箕人體各個部分吸收情況。其中N78頻段為3.3-4.2GHz頻段。表2SAR吸收比率表仿K頻段測試部分吸收值(SAR)/(W/kg)N78左腦1.536N78右腦0.573N78鼻子0.386N78左眼0.869N78右眼0.036N78左耳1.572N78右耳0.086N78臉頰0.256N78嘴0.036N78下娘0.058從表2SAR吸收比率可以后出，天線輻射最高為1.572

24、W/kg天線整體輻射小于1.6W/kg標準，滿足夭線在人體輻射SAR設(shè)計中的需求。4結(jié)論本文提出了一種面向5G商隔離度4單元MIMO天線，天線工作在5G測試頻段全向性的輻射滿足手機天線設(shè)計要求。天線留出凈空區(qū)，設(shè)計的圓形開槽結(jié)構(gòu)擁有史好的隔離度，防止天線結(jié)構(gòu)和射頻電路、手機元器件耦合.天線輻射效率良好。通過仿真分析SAR吸收比率，結(jié)果顯示吸收值小于標準(1.6W/kg)o本文設(shè)計的天線可給未來5G天線設(shè)計研發(fā)提供一定的設(shè)計參考一參考文獻|1EODOR,G.RAJATHEVAN.ZIRWASW.etal.AnoverviewofmassiveMIMOtechnology-componentsin

25、METISJ.IEEECommunicationsMagazine.2017,55(6):155-161.2|齊暢.物龍祥.5G超密集組網(wǎng)的多點協(xié)作傳輸和功率分配策略【J.電子技術(shù)應(yīng)用,2019.45(2):64-67,72.|3|本刊訊.通信匚程愛立信和中國聯(lián)通宣布在肖島港打造5G智憊碼頭J.中國工程咨洵,2019(4):98.|41IJuYing.RenAidi,LiuHu,etal.Eight-|u)rtMIMOarrayusingcharacteristicnuxletheoryfor5Gsmartphoneapplica-tionsJ.IEEEAccess.2019,PP(99)：1.|51I.iMingyang,BanYongling,XuZiqiang.elal.Eight-portorthogonallydual-M)lariz<*(iantennaarrayfor5Gsmartphoneapplications)J|.IEEEFransactionsonAntennasandPropa-gation.2016,64(9):