孙嘉骞，秦裕航

（中国兵器装备集团自动化研究所有限公司，四川 绵阳 621000）

0 引 言

4G 网络创造了繁荣的网络经济，由于通信业务的多元化和复杂化，人们追求网络事物多样性的需求也日益增长，第五代移动通信系统（5G）应运而生，它能够实现人与人、人与物、物与物之间的互联互通，VR、自动驾驶、远程手术等具有巨大前景的技术也在5G 时代诞生并发展着。

5G 具有超大的带宽、巨大的传输速率，5G 时代的到来也促进着MIMO 技术的发展，但是其代价是增加了收发方的天线复杂度，使得天线设计必须考虑各个天线的互相影响，这对天线工程师来说是个巨大的挑战。

近年来，5G 技术越来越受到学术界和行业领域的关注。作为5G 无线通信的关键技术，大规模的MIMO 可以极大地提高信道容量。因此，如何将越来越多的元件放置在有限的空间中是天线设计者面临的一个难题。

当各个天线单元之间的距离较小时，天线之间的耦合度会很大，对天线性能影响十分严重。因此，如何提高各个天线间的耦合度成为MIMO 天线设计的重难点。为了解决这一问题，通常采取以下3 种方法：（1）将天线进行弯折，改变电流的路径，降低天线的谐振频率，这种方法也存在一定缺陷，改变电流的流向会导致方向图产生变异。（2）提高板载天线介质板的介电常数能够增加隔离度，但是对于手机天线设计来说，一般使用FR4 介质板，由于使用场景的限制，这种方法的可行性不是很高。（3）利用耦合馈电使天线增加分布式电容，使天线激励起比较低的辐射模式，但是这种方法的困难点是馈电位置的选择。

1976 年，Andersen 等人[1]从阻抗的方向出发，研究了天线耦合的问题，并将单极子天线作为例证。Kokkinos团队实现了利用地板缝隙对port PIFA 天线的去耦[2]。Ban 等人[3]结合3.5 GHz 天线特点，利用中和线实现二单元4G MIMO 天线的去耦设计，其中的混合天线由GSM850/900/180/1800/1900/UMTS2100/LTE2300/2500和8个工作于3 400 ～3 600 MHz 频段上的元件组成。还有一些其他的技术获得了良好的性能，如Li 等人[4]提出的八元件天线设计，利用耦合馈电元件和单极子槽元件之间的双极化辐射，获得了超过12.5 dB 的良好隔离度，天线在2 550 ～2 650 MHz 频段上工作，包络相关系数小于0.15，在工作频带上的信道容量约为38 ～40 b/s/Hz。文献[5-9]中针对特定频段提出5G 多天线阵列，例如在文献[8]中，工作频段为2.4 GHz；在文献[5]中，天线结构在2.6 GHz 频段下工作，应用于MIMO 技术；在文献[9]中，3.5 GHz 的多天线系统使用了开放式缝隙天线。从已有文献[9-17]来看，用于MIMO 的多天线结构在几何形状和尺寸上有所不同，并且大多支持选择性频带。

1 天线设计基础

1.1 天线基本类型

在手机移动终端所使用的天线大致包括：偶极子天线、单极子天线、IF 天线。下面将对这3 种天线类型作简要介绍。

偶极子天线是最基础的天线之一。如图1 所示，中间为馈点，两条长度为四分之一波长的直导线分别位于馈点两侧对称放置，它的直径远小于其工作波长。

图1 偶极子天线

单极子天线是在偶极子天线的基础上设计而来的，如图2 所示，单极子天线一端在地面馈点，因为地板的存在和镜像定理，地板下方也相当于存在长度为四分之一工作波长的直导线。单极子天线与偶极子天线工作方式相似，但是单极子天线所占用空间较小，辐射功率也较小。因此单极子天线的应用范围更加广泛[18]。

图2 单极子天线

倒F 天线的衍变过程如图3 所示。倒F 天线是由单极子天线改进而来的，单极子天线使用的是直导线，虽然相较于偶极子天线来说，单极子天线所占空间有所减小，但是对于特定环境下的天线设计来说，单极子天线所占用的空间还是太大了，于是我们将单极子天线进行弯折操作即形成了倒L天线。在倒L 天线的弯折处增加一个枝节接地，这样就形成了倒F 天线[19]。倒F 天线应用十分广泛，在移动终端设备的天线设计中也常常以倒F 天线为基础进行设计。

图3 倒F 天线的衍变过程

1.2 天线基本参数

天线基本参数主要有天线的方向性/方向图、带宽、效率、MIMO 天线的隔离度等。

（1）天线的方向性是指向某一方向接收或发射信号能力的大小。若天线在一特定方向上方向性较大，则表示该天线在这一方向上接收或发射信号的能力较强，反之亦然。

（2）天线带宽是指天线所能够发射或接收信号的频率范围，一般用天线的回波损耗来描述天线的带宽，回波损耗为-10 dB 时，天线发射或接收频率范围即为天线带宽。

（3）天线效率是指天线辐射功率与输入功率的比值，计算公式为：天线效率η=输出功率/输入功率。

（4）MIMO 天线的隔离度是衡量MIMO 天线特有的参数，若天线间耦合度过大（隔离度过小），就会导致天线的性能很差。天线耦合度通常用Sij（i≠j）来表示，对于手机天线设计来说，天线隔离度|Sij（i≠j）|>10 dB 即可。

2 双频单元天线设计

本章设计了一款双频倒F 天线，它是由单频倒F 天线改进而来，在单频倒F 天线枝节上方增加一个枝节实现天线的双频段工作，将上方枝节进行弯折来实现小型化。最终，它能够工作在2.4 ～2.6 GHz 和3.4 ～3.6 GHz 频段范围内，并且拥有较高的增益和天线效率。

2.1 天线基本结构

双频天线单元如图4 所示，其中A 为馈点，产生激励；B 为接地点，与介质板背面的地面连接。L1=10.7 mm，L2=13.6 mm，L3=10.8 mm，H1=6.8 mm，H2=3 mm，H3=1.7 mm，W=0.8 mm，D=3.2 mm。天线单元为IFA，一共有2 个枝节，通过将枝节弯折来缩小天线所占的面积。

图4 双频天线

2.2 单元天线设计与原理分析

双枝节IFA 天线由传统的IFA 天线改进而来。传统IFA天线只能工作在一个频段，在许多移动终端设备中都有所应用，它的枝节长度大约为工作波长的四分之一。为了使IFA能够工作在两个频段且所占面积较小，做以下设计：首先设计一个能够工作在3.4 ～3.6 GHz 频段的单频IFA 天线，如图5 所示。由于IFA 枝节长度约为其工作波长的四分之一，要想使其工作在3.4 ～3.6 GHz 频段，其枝节长度应为22 mm。该天线的回波损耗如图6 所示，其工作在3.5 GHz 频段。

图5 单频IFA 天线

图6 IFA 的回波损耗

本文通过增加枝节的方式使传统倒F 天线能够双频工作，如图7 所示。增加枝节相当于增加了一条电流的通路，枝节的长度与所需工作频率有关。通过在高频枝节上方增加一条枝节使其既能在高频段工作，也能够在低频段工作。在上方添加的枝节并不是直的，而是一种弯曲结构，这样做的目的是减小天线所占面积，对降低天线间的耦合度也有一定好处。该天线最终能够工作在2.4 ～2.6 GHz 和3.4 ～3.6 GHz 频段，天线回波损耗如图8 所示。

图7 双频IFA 天线

图8 双频IFA 回波损耗

双频IFA 天线的方向图如图9 所示，天线最大增益为6.2 dB。如图10 所示，当天线工作频率为2.5 GHz 时，它的效率约为94%；当它的工作频率为3.5 GHz 时，它的效率大约为83%。这表明该天线具有良好的辐射特性。

图9 双频IFA 天线的方向图

图10 双频IFA 天线的天线效率

为了研究天线的工作原理，从而进一步分析各个枝节尺寸对天线不同频段的影响，对天线L1枝节和L2枝节的不同长度进行仿真，其结果如图11 所示。高频部分主要由图4中天线的L1枝节控制，低频部分主要由L2枝节控制。当增加L1的长度时，该单元天线高频向低频靠拢，而低频部分变化不大。当缩短L2的长度时，该天线的低频向高频靠拢，而高频部分变化不大。由此可以得出，L1枝节对高频影响较大，L2枝节对低频影响较大。为后续八单元天线频率的调整做了前期准备。

图11 调整枝节长度对S11 的影响

3 双频MIMO 天线设计

本章设计了双频八单元MIMO 天线，该天线主要工作频段为2.4 ～2.6 GHz 和3.4 ～3.6 GHz，能够覆盖4G 和5G主要频段。单元天线为IFA 结构，是通过对倒F 天线改进而来的。普通倒F 天线只能工作在单一频段，本章通过增加枝节的方式来实现天线的多频工作。八个天线分布在地板的上下左右侧，每侧各两个天线。一些天线间的间距比较大，隔离度自然较大，无须调整；但是有些天线距离较近，隔离度较低。本章通过对地板开槽的方式提高隔离度，最终使各天线的隔离度能够大于10 dB。本文对八单元天线的效率进行了优化及仿真，该天线效率在58.5%～81%之间，说明该天线具有良好的辐射特性。

3.1 双频双单元MIMO 天线设计

双频双单元MIMO 天线整体结构如图12 所示，两个天线对称放置于地板上侧，天线1 和天线2 的回波损耗如图13 所示，可知该MIMO 天线在2.4 ～2.6 GHz 和3.4 ～3.6 GHz 上均满足回波损耗小于-6 dB。天线1 和天线2 的隔离度如图14 所示，在所需频率范围内，两天线之间的隔离度大于10 dB，具有良好的辐射性能。天线方向图如图15 所示，最大天线增益为6.3 dB，天线增益良好；同时可以看出该天线向下辐射信号能力较强。如图16 所示，该天线工作在2.5 GHz 时效率大约为92%，它工作在3.5 GHz 时效率大约为82%，天线具有良好的辐射特性。

图12 双频双单元MIMO 天线

图13 双频双单元MIMO天线的回波损耗

图14 双频双单元MIMO 天线的隔离度

图15 双频双单元MIMO 天线的方向图

图16 双频双单元MIMO 天线的效率

当两天线接地点距离为33 mm 时，它们之间的隔离度良好；当两天线距离逐渐靠近时，它们之间的隔离度逐渐减小。如图17 所示，当两天线距离为9 mm 左右时，接近隔离度最低要求10 dB。

图17 减小天线距离后两天线隔离度

3.2 双频四单元MIMO 天线设计

双频四单元MIMO 天线整体结构如图18 所示，地板上方有两个天线对称放置，地板下方有两个天线对称放置。各个天线的回波损耗如图19 所示，可以看出，四个天线都能在2.4 ～2.6 GHz 和3.4 ～3.6 GHz 两个频段上正常工作。各天线隔离度都大于10 dB，如图20所示。由于天线间距离较大，地板耦合电流衰减较快，所以各天线间耦合度满足基本要求。天线方向图如图21 所示，最大天线增益为6.1 dB，天线增益良好；同时可以看出，该天线向下辐射信号能力比向上辐射信号能力强。天线效率如图22 所示，当它工作在2.5 GHz时天线效率约为93.5%，当它工作在3.5 GHz 时天线效率约为75%，该天线具有良好的辐射特性。

图19 双频四单元MIMO天线的回波损耗

图20 双频四单元MIMO 天线的隔离度

图21 双频四单元MIMO 天线的方向图

图22 双频四单元MIMO 天线的效率

当上侧和下侧放置两天线间距为33 mm 时，隔离度良好。如图23 所示，当逐渐减小上侧两天线间距和下侧两天线间距后，天线隔离度逐渐减小。当两天线接地点距离为13 mm 时，S12和S34基本重合且在低频附近为10 dB，接近于临界值。减小上侧两天线间距和下侧两天线间距后，对S13、S23、S14、S24的影响较小，仍然满足隔离度大于10 dB的要求。

图23 减小上下侧两天线间距后的隔离度

3.3 双频八单元MIMO 天线设计

基于四单元天线设计，本文进一步研究了双频八单元MIMO 天线设计方法。如图24 所示，双频八单元MIMO 天线上下左右侧各放置2 个天线单元，并在地板上开4 个L 型槽来增大天线1 和天线6、天线2 和天线7、天线4 和天线8、天线3 和天线5 间的隔离度。

图24 双频八单元MIMO 天线

如图25 所示，通过对单元天线枝节长度的微调，使各个天线的回波损耗基本能够覆盖2.4 ～2.6 GHz 和3.4 ～3.6GHz两个频段，满足覆盖4G频段和5G频段的要求。

图25 双频八单元MIMO 天线的回波损耗

未开L 型槽时，由于天线1 和天线6、天线2 和天线7、天线4 和天线8、天线3 和天线5 之间的间距较小，导致它们之间的耦合度过大，如图26 所示，天线间隔离度小于10 dB，天线性能较差。天线5、天线6、天线7、天线8之间的间距较大，如图27 所示，它们之间的隔离度均大于10 dB。通过在地板开L 型槽，阻断地板耦合电流来增大其隔离度，最终各天线间隔离度均大于10 dB，符合手机天线设计的基本要求。

图26 未开槽时各天线间的隔离度

图27 开槽后各天线间的隔离度

L 型开槽如图28 所示，L 型开槽的长边为16 mm，短边为8 mm，宽为1 mm。4 个地板槽大小相同，上下左右四槽关于地板中心对称。该开槽方案在对地板整体性能影响很小的情况下，使天线间的隔离度增大了2 ～3 dB。

图28 L 型开槽

如图29 所示，若将地板开槽的L 型长边及短边的长度各减小一半，所得隔离度如图30 所示，天线5 与天线7、天线6 与天线8、天线4 与天线、天线2 与天线7、天线1 与天线6、天线1 与天线5 之间的隔离度都有所下降。对比可知，天线开槽尺寸过小不能阻断地板耦合电流，对耦合度的影响较小。

图29 减小L 型开槽后的尺寸

图30 减小L 型开槽尺寸后的隔离度

天线方向图如图31 所示，最大天线增益为3.1 dB。

图31 双频八单元MIMO 天线的方向图

如图32 所示，天线工作效率在58.5%～81%之间。天线效率均大于50%，其辐射性能较好。

图32 双频八单元MIMO 天线的效率

4 结 语

本文设计了一个单元天线，天线结构为双枝节IFA，通过较短的枝节产生高频辐射，通过较长的枝节产生低频辐射。该天线能够工作在2.4 ～2.6 GHz 和3.4 ～3.6 GHz 频段，单元天线最大增益为6.3 dB，当它工作在2.5 GHz 时天线效率约为94%，当它工作在3.5 GHz 时天线效率大约为83%。双频双天线是通过将两个单元天线对称放置于地板上侧而形成的MIMO 结构。双频双天线最大增益为6.3 dB，该天线工作在2.5 GHz 时效率大约为92%，当它工作在3.5 GHz 时效率大约为82%。由于双天线间隔距离较大，所以它们之间的耦合度较小，基本满足设计要求。双频四单元天线的各个天线单元分布在地板上下两侧，每侧各两个天线并呈对称分布。该天线最大增益为6.1 dB，当它工作在2.5 GHz 时天线效率约为93.5%，当它工作在3.5 GHz 时天线效率约为75%。由于各个天线之间距离较大，它们拥有较好的隔离度。双频八单元天线的8 个天线分别位于地板上下左右侧，通过开L 型地板槽的方式降低各天线间的耦合度，与未开槽时天线隔离度相比，该天线隔离度增加2 ～3 dB，同时对开槽尺寸进行优化设计，最终选取长边为16 mm、短边为8 mm 的L 型开槽。最终利用全波仿真软件对天线进行仿真，隔离度效果优于10 dB，效率在58.5%～81%之间，天线最大增益为3.1 dB，具有较好的辐射特性。

本文通过在地板开L 型槽，利用缺陷地板结构阻断耦合电流来提高各个天线间的隔离度。相较其他去耦方式，该方式操作简单，易于实现。最终使天线间的隔离度大于10 dB，使它们的回波损耗基本能够覆盖2.4 ～2.6 GHz 和3.4 ～3.6 GHz 频段。后续还需进一步研究如何不改变地板结构来实现去耦，如何对4G 和5G 全部频段进行覆盖，以及如何在较小的空间内使MIMO 天线的隔离度足够大，这也是现在天线设计的重难点之一。