一种自解耦高隔离度6单元MIMO手机天线设计_李明忠.pdf
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1、一种自解耦高隔离度6单元MIMO手机天线设计李明忠1,杨明2,洪炎1,王仲根1,穆伟东1(1.安徽理工大学 电气与信息工程学院,安徽 淮南 232001;2.亳州学院 电子信息工程系,安徽 亳州 236800)摘要:针对传统天线具有隔离度差、结构复杂等缺点,本文设计了一种新型6单元自解耦高隔离度的手机天线。天线系统由底面基板和两个侧面垂直小基板共同构成,其中,底面基板尺寸为150 mm 75 mm 0.8 mm,垂直小基板尺寸为134 mm 6 mm 0.8 mm,且每个侧面垂直基板上有3个T形辐射单元。仿真和实测结果显示,MIMO天线工作频段在端口S11小于-6 dB阻抗带宽的条件下,可以覆
2、盖3.3 GHz3.6 GHz,同时,天线单元之间隔离度优于-20 dB,辐射效率达到70%以上,包络相关系数(ECC)小于0.01。与传统天线相比,该天线具有自隔离、高隔离度、结构简单以及空间分集性极好等优点。关键词:5G;自解耦;隔离度;MIMO天线中图分类号:TN822文献标志码:A文章编号:1007-4260(2023)01-0053-05Design of a Self-Decoupling High Isolation 6-Element MIMO MobilePhoneAntennaLI Mingzhong1,YANG Ming2,HONG Yan1,WANG Zhonggen1
3、,MU Weidong1(1.School of Electrical and Information Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China;2.Department of Electronics and Information Engineering,Bozhou University,Bozhou 236800,China)Abstract:Aiming at the disadvantages of traditional antennas such as poor isol
4、ation and complex structure,a novel 6-ele-ment self-decoupling high isolation mobile antenna is designed.The antenna system consists of a bottom substrate and twoside vertical small substrates.The size of the bottom substrate is 150 mm 75 mm 0.8 mm,and the size of the vertical sub-strate is 134 mm 6
5、 mm 0.8 mm.Each side vertical substrate has three T-shaped radiation units.The simulation and mea-surement results show that the working frequency of MIMO(Multi-Input Multi-Output)antenna can cover 3.3 GHz3.6 GHzunder the condition that the port S11 is less than 6 dB impedance bandwidth.The isolatio
6、n between antenna units is better than-20 dB,and the radiation efficiency can reach more than 70%,while the ECC(Envelope Correlation Coefficient)is less than0.01.Compared with the traditional antenna,this antenna has the advantages of self-isolation,high isolation,simple structureand excellent spati
7、al diversity.Key words:5G;self-decoupling;isolation;MIMO antenna相比于4G通信系统,5G系统具有成倍的数据传输速率和低延迟等优点1,可以满足人们对高通信速率和高效率的追求,已经全面走进商业和生活之中2。同时,MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)通信技术发射端和接收端使用了多个发射天线和接收天线来进行信号的传输和接收,可以有效改善整体通信质量3,因此,该技术在5G通信系统中起到了至关重要的作用。MIMO天线主要测试指标有耦合隔收稿日期:2021-12-14基金项目:国家自然科学基金项目(61401
8、003),安徽省高校自然科学重点项目(KJ2020A307,KJ2020A0768)和安徽省自然科学基金项目(2108085MF200,1808085MF166)作者简介:李明忠(1997),男,安徽六安人,安徽理工大学电气与信息工程学院硕士研究生,主要从事天线理论与天线设计研究。E-mail:2023年2月第29卷第1期安庆师范大学学报(自然科学版)Journal ofAnqing Normal University(Natural Science Edition)Feb.2023Vol.29 No.1DOI:10.13757/34-1328/n.2023.01.010安庆师范大学学报(自然
9、科学版)2023年离度、工作频段、辐射效率天线增益和SAR等。其中,隔离度必须满足-10 dB以下,为了实现天线单元之间的高隔离度,各种去耦技术也应运而生,如使用不同的馈电结构4、添加新的耦合路径5-6、在天线单元之间使用中和线7-8、有缺陷的接地结构9-11以及极化分集12等。上述天线虽然有效地解决了隔离度问题,但是还存在频带单一、结构复杂等方面的不足。近年来,许多学者陆续提出了各种类型的应用于5G通信的天线设计。例如,文献13提出了一种具有双极化能力的八端口插槽天线阵列,其结构简单、隔离度高,但-6 dB的阻抗带宽较低。文献14的天线系统使用了环形插槽以增加天线的工作带宽,实现了很好的解耦
10、效果,但该结构只有四个端口,故不能用于大型移动终端。文献15设计了一种用于手机边框的8单元紧凑型环形天线,每个环形天线由嵌入在智能手机框架上的两个折叠短截线组成,并与倒L形微带探头通过框架上的间隙耦合来激发,且无需任何解耦措施,但是其隔离度效果不好。基于此,本文设计了一种6单元MIMO天线,该天线覆盖频率范围为3.3 GHz3.6 GHz。天线由50 同轴线从水平基板地面馈电,用于激励两侧小基板上的天线贴片来覆盖5G频段,同时,天线两基板外侧面由左右对称的6个凸形天线单元(Ant1至Ant6)组成。凸形天线单元的对称结构使得天线之间能实现自隔离,且具有相当好的隔离度,因此,该设计不需要使用其他
11、的隔离手段来实现高隔离度。1MIMO天线设计与分析1.1天线结构与单元设计图1为设计的6单元MIMO天线系统结构,其由底面水平大基板和两侧垂直于系统基板上的小基板共同构成,6个单元天线刻印在两侧垂直小基板上且每侧各3个。水平大基板尺寸为150 mm 75 mm,厚度为0.4 mm,选用FR4材质(相对介电常数r=4.4,介质损耗正切角tan=0.02)。侧面小基板尺寸为134 mm 6 mm,厚度为0.6 mm。每个天线单元都由一个50 的SMA连接器通过通孔从背面自动控制系统基板。小基板外侧面为凸形天线单元,内侧面为T形单元,与大基板上表面矩形单元一起构成了馈电单元。具有凸形结构的天线单元可
12、以实现自解耦,且各天线单元之间具有很高的隔离度。本文所采用的去耦方式比文献16的L形去耦枝节更为简单且具有更好的隔离效果。3个天线单元在侧面基板上均匀分布,ANT1与ANT2间距离为D12,ANT2与ANT3间距离为D23,D12=D23=52 mm。L1=2.3 mm,L2=7.5 mm,L3=4.5 mm,L4=5.5 mm。所有天线宽度k均为0.6 mm,且参数k对天线单元性能有着重要作用,所以需要对其进行优化。图2是参数k扫描后的S参数曲线,由图可知,谐振点随着k增加而向右移动,当k=0.6 mm时,能够完整覆盖3.3 GHz3.6 GHz,故优化后选取此k值。Ant4Ant5Ant6
13、Feed line6Feed line5Feed line4Feed line1Feed line2Feed line3Ant3Ant2Ant175 mm150 mm0.8 mmPort1134 mm150 mmPort2Port3H=6 mmD23D12L3L4L2L1S-Parameter/dBFrequency/CHz3.23.43.63.80-5-6-10-15-20-25-30-35K=0.5 mmK=0.6 mmK=0.7 mm图2参数k对S参数的影响图16单元天线结构1.2电流分布为了说明天线的工作原理和自解耦原理,图3和图4分别给出了天线在谐振频率下的电流分布。可以看出,由于凸
14、形结构的对称性,电流主要分布在凸形两侧,而中间电流几乎相互抵消,有效阻断了天线之间的耦合,从而实现了自解耦。所有结果均由HFSS仿真获得。54第1期图4天线单元2的电流分布图3天线单元1的电流分布2MIMO天线测试分析MIMO天线系统实物如图5所示。借助电磁仿真软件ANSYS ElectronicsDesktop2018.2对该天线系统的相关参数进行仿真,同时借助矢量网络分析仪对其S参数进行测试。2.1天线性能分析图6和图7给出了天线单元仿真的反射系数和传输系数。图8和图9给出了天线单元实测的反射系数和传输系数。由于两侧天线单元呈镜像对称,具有相同的S参数,所以仅需展示Ant1/2/3的结果。
15、实测结果表明,在目标频段内(3.3 GHz3.6 GHz),Ant1/2/3的反射系数Sii(i=1,2,3)均在-6 dB以下,实现了良好的阻抗匹配。由图8可知,三个天线单元的传输系数均在-20 dB以下,也说明各端口之间具有非常好的隔离度。图10至图15给出了在谐振模式下Ant1-3的xoz面和yoz面归一化后的辐射方向情况。由图可知,在3.45 GHz下,Ant1-3的xoz面辐射的形状大致相似,变化比较平缓。而Ant1-3的yoz面辐射的形状略有差异,但是满足基本辐射要求。由于天线对称排列,且对称单元辐射方向互补,故所设计的天线具有良好的方向性和极化特性,能满足通信要求。图16给出了天
16、线效率,可以看出,天线效率均在70%以上,实现了良好的利用率。同时,包络相关系数(ECC)也是MIMO天线的重要性能参数之一。由图17可知,在目标频段内,天线单元间的ECC最大值低于0.01,符合5G MIMO的操作标准(ECC 0.5),因此本文所设计的天线具有极好的空间分集特性。3.23.43.63.8-10-15-20-25-30-35-40-45-50-55-60S12S16S13S25S14S26S15S11S22S33-4-6-8-10-12-143.43.6S-Parameter/dBFrequency/CHz图6天线单元仿真的反射系数Frequency/CHz图7天线单元仿真的
17、辐射系数S-Parameter/dB3.23.43.63.8-18-20-22-24-26-28-30-32-34-36-38-40-42S12S16S13S25S14S26S15S11S22S33-4-6-8-10-12-143.33.43.53.63.7Frequency/CHzS-Parameter/dBS-Parameter/dBFrequency/CHz图9天线单元实测的辐射系数图8天线单元实测的反射系数图5天线实物李明忠,杨明,洪炎,等:一种自解耦高隔离度6单元MIMO手机天线设计 55安庆师范大学学报(自然科学版)2023年50-5-0-15-20-25-30-35-35-30-
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