文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190800
中文引用格式： 周凱，王睿喬，趙志恒. 面向5G高隔離度4單元MIMO手機天線設計[J].電子技術應用，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.
0 引言
MIMO無線通信技術是指在發射端和接收端使用多個發射天線和接收天線進行信號的傳輸和接收，改善整體通信質量[1]。目前，MIMO系統在4G通信中應用已經十分成熟，并且MIMO技術是下一代5G通信發展的關鍵技術[2]。5G通信頻段主要分為Sub-6 GHz和高頻毫米波。Sub-6 GHz測試頻段為2.5 GHz～2.675 GHz、3.4 GHz～3.8 GHz和4.8 GHz～4.9 GHz。國內5G正處于測試當中，電信運營商測試頻段為3.4 GHz～3.5 GHz，聯通運營商測試頻段3.5 GHz～3.6 GHz[3]。
MIMO天線主要測試指標為耦合隔離度、工作頻段、輻射效率、天線增益和SAR等。本文設計天線具有輻射全向性和良好的輻射效率。目前5G天線設計相關文獻(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域進行有效的設計和分析。本文在此基礎上合理留出凈空區域，并且設計圓形開槽結構可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、刻蝕技術和LDS技術加工等[7]。
1 MIMO天線單元的設計
MIMO天線輻射單元加工和測試是十分重要的。每個輻射單元具有良好的輻射特性，MIMO天線才會具有一個良好的輻射性能和輻射效率。本文天線輻射單元的介質板選用FR-4基板，介電常數為4.4。天線介質基板尺寸為30 mm×30 mm×1.5 mm。天線鍍銅的厚度為0.1 mm，天線底部為環形開槽結構，開槽縫隙為0.5 mm。天線正面為微帶線結構和圓形開槽結構。通過50 Ω SMA接頭對天線進行連接。圖1為天線輻射單元仿真結構圖，表1為天線尺寸參數。本文應用軟件HFSS來進行仿真，相比于其他的仿真軟件(如CST、FEKO、FDTD和XFDTD等)，HFSS對于小尺寸窄帶天線仿真更加準確。
天線模型進行實際測試加工，加工方案采用電印刷方式，圖2為天線加工實物圖。
天線單元通過網絡分析儀測量S11(回波損耗)參數，圖3為測量天線S11參數和仿真S11參數對比圖。S11<-10 dB阻抗帶寬，工作頻段為3.43 GHz～3.86 GHz。S11<-6 dB阻抗帶寬，工作頻段為3.29 GHz～4.06 GHz。工作頻段帶寬滿足設計指標要求。
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線[8]。圖4為天線在3.55 GHz頻率下的測量方向圖和仿真圖對比。
從仿真結果和測量結果來看，測量結果沒有發生畸變，在E面輻射呈啞鈴型分布，覆蓋到天線整個單元介質基板。H面為全向輻射特性。整體天線輻射單元呈現了良好的輻射特性，滿足MIMO天線對天線輻射單元設計的需求。天線輻射效率是衡量天線是否可用的重要指標，在測試天線輻射效率中天線測量一般分為外置測試和內置測試。外置測試一般要求輻射效率達到55%～85%左右，內部測試要求達到20%～55%左右。圖5為天線輻射單元輻射效率測試圖。
通過暗室進行測量，外置測試條件下天線最高輻射效率能達到70.8%，最低為57.6%。本文設計天線單元的輻射效率滿足工程應用指標。天線單元具有良好的輻射特性。
2 MIMO天線仿真加工設計
MIMO天線有諸多優點，但是需要天線具有良好的隔離度，設計時應該注意天線插入損耗和相關包絡系數等指標。相關包絡系數(Envelop Correlation Coefficient，ECC)代表不同的天線單元間接收信號幅度之間的相關性，是衡量MIMO多天線系統分集性能和耦合性能的參數指標。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。近幾年來出現了很多種計算相關系數的方法[9]，利用天線電路中所測得的S參數來計算其ECC[10]，如式(1)所示：
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，表面采用抗氧化處理。
天線PCB板厚度為1.5 mm，天線輻射單元坐落在天線PCB板4個角落。通過暗室測量天線回波損耗和各個端口的插入損耗，圖8為天線仿真和測量回波損耗圖。
測量天線工作頻段在回波損耗小于-10 dB阻抗帶寬條件下，天線工作頻段為3.45 GHz～3.64 GHz。在回撥損耗小于-6 dB阻抗帶寬條件下，天線工作頻段為3.23 GHz～
3.96 GHz。仿真天線和實際測量天線出現帶寬誤差。天線仿真和實際測量進行對比，發現實際測量中心頻段和仿真天線中心頻段略有偏差，測量天線的工作頻段阻抗帶寬小于仿真阻抗帶寬。圖9為天線仿真和測量插入損耗圖。
仿真和實際測量結果大體一致，天線端口之間隔離度良好。實際測量插入損耗小于-10 dB阻抗帶寬，滿足天線工程應用的指標要求。圖10為仿真計算和測量結果計算包絡相關系數圖。
仿真計算得到的ECC與實際測量計算得到的ECC相近，其測量計算得到的ECC小于0.2。本文設計的天線有良好的隔離度。手機傳輸過程中有上下行頻段，測量時選擇兩個測試頻點對天線進行方向圖測量，圖11測試頻點為3.45 GHz，圖12測試頻點為3.55 GHz 。
測量天線E面和H面與仿真平面方向圖進行對比，天線在3.45 GHz和3.55 GHz處E面和H面均呈現全向性；方向圖沒有發生畸變，具有良好的輻射特性和全向性。圖13為天線測量輻射效率圖。
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，天線輻射效率提高了3%～8%左右。本文設計的4單元MIMO天線輻射效率在實際工程中滿足應用條件的需求。
3 天線對人體輻射吸收(SAR)的分析
現代人們越來越關注電子產品對人體的影響，一些實驗已表明電磁輻射對人體具有潛在的影響[11]。目前在歐美日等發達國家，手機輻射問題受到公眾的關注，不同的國家對手機電磁輻射安全標準的規定有所不同。1997年，美國FCC公布了手機電磁安全評價標準，規定的SAR值為1.6 W/kg。從1999年2月1日起，歐洲開始實行手機電磁輻射防護，標準SAR值為2.0 W/kg。本文應用XFDTD7.3版本，對人體頭部電磁學SAR進行仿真，圖14為人體和天線建模仿真圖。
仿真天線在人體頭部左側距離3.5 mm左右的位置。XFDTD提供的人體模型擁有人體頭部上半部分器官，軟件內部模型提供器官、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。
通過XFDTD軟件分析，天線主要輻射在左側腦部、臉頰和耳部。表2為仿真人體各個部分吸收情況。其中N78頻段為3.3～4.2 GHz頻段。
從表2 SAR吸收比率可以看出，天線輻射最高為1.572 W/kg。天線整體輻射小于1.6 W/kg標準，滿足天線在人體輻射SAR設計中的需求。
4 結論
本文提出了一種面向5G高隔離度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計要求。天線留出凈空區，設計的圓形開槽結構擁有更好的隔離度，防止天線結構和射頻電路、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，結果顯示吸收值小于標準(1.6 W/kg)。本文設計的天線可給未來5G天線設計研發提供一定的設計參考。
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作者信息:
周 凱1，王睿喬1，趙志恒2
(1.哈爾濱工程大學 信息與通信學院，黑龍江 哈爾濱150001；2.中國科學院光電研究院，北京100004)