面向5G高隔离度4单元MIMO手机天线设计.docx

1、导读：5G赋能企业级客户和垂直行业的智慧化发展，为运营商和产业合作伙伴带来新的商业模式，开启一个全连接的新时代，然而而对未来更多样化的业务需求和更复杂的通信场景，低成本和高性能的终端成为5(；规模商用的关键环节。同时，5G大带宽、高频段、多制式的特点为终端的实现提出了更高的要求。电子技术应用杂志2019年第11期推出“5(；终端关键实现技术”主题专栏，论文内容涵盖了5G终端的MIMO天线实现、圣米波网络终端接入等关健技术与流程，期待为5G时代终端技术的发展提供有益的借鉴。特约主编：朱雪田，北京邮电大学工学博士，教授级高级工程师，中关村国家自主创新示范区高端领军人才，北京邮电大学通信与信息专业工

2、程硕士导师，现就职于中国电信智能网络与终端研究院长期从事4G/5G移动通信和互联网技术创新与研发工作，作为项目组长先后负责多个4C/5G领域的移动通信国家重大项目，发表学术论文超过50篇，发明专利100余篇，个人专著3本。面向5G高隔离度4单元MIM0手机天线设计周凯'，王容乔I,赵志恒2(1.哈尔滨r程大学信息与通信学院.黑龙江哈尔滨150001；2.中国科学院光电研究院.北京KXXXM)摘要：设计了一个4单元高隔离度手机天级，由4个辐射单元组成，辐射单元分别位于天线的4个角落对天线辐射单元进行分析测试，测量大线辐射单元工作频段为3.43GHz-3.86GHz，覆盖5G移动通信测试频

3、段。MIMO天线工作频段在端口回波损耗小于-10(1B阻抗带宽条件下，工作频段为3.45(；Hz3.64(；Hz；在端口回波损耗小于-6(IB阻抗带宽条件下，夭线,工作频段为3.23GHz-3.96GHz新设计的圆形开槽结构能戒少天线和电子元嚣件掴合，并且大线其有良好的全向性和辐射特性。Ml1()天线在3.2GHz4GHz频率内，天残辐射效率为65%73.4%。仿真表明，脑部辐射SAR(SpecificAbsorptionRate)参敷小于1.6W/kg，天线对人体影响较低关键词：5(；移动通信；MIMO天线；高隔离度；全向特性；辐射效率；SAR中图分类号：TN823文献标识码：ADOI:1(

4、).16157/j.issn.0258-7998.190800中文引用格式：周凯，王容乔.赵志恒.面向5G高隔离度4单元MIMO手机大线设计J|.电技术应用.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天线底部为环形开槽结构，开槽缝隙为（）.5mm天线止而为微带线结构和圆形开槽结构通过50nSMA表】夭线仿真结构参数接头对天线进行连接。图1天线参数天线尺寸/mm为天线辐射单元仿真结构IV/30图，表1为天线尺寸参数1七11本文应用软件HESS来进*>R3行仿真,相比于其他的仿点的1.5软件（如CST.FEKO、FDTI）1和XFDTD等）,HFSS对于W,8.5小尺寸窄带天线仿真更加吧8准确、1.5-30-303540频率/GHz450引言MIMO

10、无线通信技术是指在发射端和接收端使用多个发射天线和接收天线进行信I；的传输和接收，改善整体通信质址'。目前,M1M0系统在4G通值中应用已经卜分成熟，并flMIM0技术是下一代5（；通信发展的关键技术e5G通信频段主要分为Sub-6GHz和高频毫米波Sub-6GHz测试频段为2.5GHz-2.675GHz,3.4GHz-3.8GHz和4.8GHz-4.9GHz国内5（；正处于测试当中.电信运营商测试频段为3.4GHz3.5（；Hz.联通运营商测试频段3.5（；Hz3.6GHz。MIMO天线主要测试指标为糊合隔离度、工作频段、辐射效率、天线增益和SAR等，本文设计天线具有辐射全向性和良好

11、的辐射效率H前5（；天线设计相关文献（如文献4、文献5和文献|6|等）都没有对天线隔离度和净空区域进行仃效的设计和分析，本文在此基础上合理留出净空区域.并且设计圆形开槽结构诃以有效地降低天线与电子元器件耦合天线在实际加工中更加灵活，可采用电印刷技术、刻蚀技术和LDS技术加工等1MIMO天线单元的设计MIMO天线辐射单元加工和测试是I分页要的每个辐射单元具4iQ好的辐射特性.MIMO大线才会具有一个应好的辐射性能和辐射效率本文大线辐射单元的介质板选用FR-4基板，介电常数为4.4天线介质基板尺寸为30mmx30mmx1.5tnm天线镀铜的I卓度为0.1mm.天线模型进行实际测试加工，加工方案采用

12、电印刷方式.图2为天线加工实物图。（a）大线加工正面图（b）天线加工背面图图2天线加J：实物图天线单元通过网络分析仪测htS11（回波损耗）参数，图3为测ht夭线SI1参数和仿真SI1参数对比图。Sll<-IOdB阻抗带宽,匚作频段为3.43GHz-3.86GHzeSll<-6dB阻抗带宽工作频段为3.29GHz4.06GHz°匚作频段带宽满足设计指标要求。 S】仿集SH实测仿氏频率3.42GHz-20仿fl顼率3.86GHz实W率3.43（；Hz.实测频率3.86GHz图3天线问波ftlft（SII）仿f.和测麻对比图通过暗室测试其方向图.并判断其辐射特性是否为全向性天

13、线同。图4为天线在3.55GHz频率下的测量方向图和仿直.图对比从仿直结果和测ht结果来行.测址结果没有发生畸变，在E面辐射呈哑铃型分布，楸盅到天线整个单元介（时天线正面图图1天线仿直饴构图（C天线单元31）结构图£_*曹(a)天线E面仿直和测址图e平面彷KE平面实治(b)天线H面仿氏和测彼图图4天线卜：面和H面仿(X和测ht对比图-10-15-20-25-M-35-M-25-20-15-10ffip、尊芸线辐射单元辐射效率测试图通过暗室进行测hi,外置测试条件卜天线最高辐射效率能达到70.8%,敞低为57.6%本文设计天线单元的辐射效率满足工程应用指标。大线单元具有良好的辐射特性。

14、2MIMO天线仿真加工设计1IMO天线有诸多优点,但是需要天线具有良好的隔离度，设计时应该注意天线插入损耗和相关包络系数等指标相关包络系数(EnvelopCorrelationCoefficient.ECC)代表不同的天线单元间接收信号幅度之间的相关性.姑衡htMIMO多天线系统分集性能和隅合性能的参数指标对于MIMO手机天线，要求ECC在主天线低频段小于0.5,在高频段要小于0.4。该值越小代表的分集增益越大。近儿年来出现了很多种计算相关系数的方法间.利用天线电路中所测得的S参数来计算其ECC"°如式(1)所示：ECC=梏飞点§1(1)'V(l-IS2-

15、ISW)x(l-l耻-1sj其中.ECC,代表天线端【1i和/的包络相关系数，S.、§为网波损耗，§、S”为插入损,s'=s.图6为MIMO天线建模仿住图。质基板。H面为全向辐射特性。整体天线辐射单元呈现良好的辐射特性，满足MIMO天线对天线辐射单元设计的需求。大线辐射效率是衡依天线是否可用的瓶要指标，在测试天线辐射效率中天线测ht-般分为外置测试和内置测试外置测试一般要求辐射效率达到55%85%左右，内部测试要求达到20%55%左右。图5为天图6MIMO大线仿真图图7为MIMO天线加工图，天线加工采用了电印刷方式进行处理，表面采用抗轼化处理谶大仙9?效拳708%2

16、0-士;铜射效率(a)天线正面图(b)天线背面图图7天线实物加工图32343.63840频率/GHz图5天线辐射效率图天线PCB板厚度为1.5mm,天线辐射单元坐落在天线PCB板4个角落。通过暗室测站天线回波损耗和各个端II的插入损耗.图8为天线仿真和测缺回波损耗图。测依天线工作频段在回波损耗小于-10dB阻抗带宽00890:28075706560555045403530252015100581000000000000000000006掐)篇噂玄£春壬实州ECCU2)实洲ECCU.3)实洌ECCU.4)实测ECCC.3)<实测ECCC.4)实测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频率/GHz频率/（；Hz图8天线测试仿波损相对比图条件下天线工作频段为345GHz3.64GHz。在回拨损耗小于-6<IB阻抗带宽条件下，天线工作频段为3.23GHz3.96GHz仿真天线和实际测依天线出现带宽误差天线仿真.和实际测依进行对比，发现实际测ht中心频段和仿真大线中心频段略有偏差.测ht天线的I：作频段阻抗带宽小于仿真阻抗带宽图9为大线仿真和测ht插入损耗图。图10天线仿盖计算和测hl结果ilW相关包培系故图345GH/E'ftf

18、ti仿ft345GH/Eflft23434423434A122322ISSSSSSSSSSSS测测测测测测hnnA食a实实实实实大仿仿仿彷仿仿350(a)3.45GHz天线测试E平面图3500345GHzHflfri仿真345GH/H1W实删2530354045频率/GHz图9天线插入损仿M和测ht对比图仿真和实际测ht结果大体一致.天线端口之间隔离度良好。实际测ht插入损耗小于-10dB阻抗带宽，满足天线11程应用的指标要求。图10为仿真计算和测ht结果计算包络相关系数图。仿真计算得到的ECC与实际测量计算得到的ECC相近，其测ht计算得到的ECC小于0.2。本文设计的天线A应好的隔离度。手

19、机传输过程中，上下行频段，测ht时选择两个测试频点对天线进行方向图测ht,图11测试频点为3.45GHz,图12测试频点为3.55GHz测ht天线E面和H面与仿真平面方向图进行对比.天线在3.45GHz和3.55GHz处E面和H面均呈现全向性；方向图没有发生畸变R杓R好的辐射特性和全向性。图13为天线测址辐射效率图。（b）3.45GHz天线浏试H平面图图II3.45GHzElAl和H面平面方向图MIMO天线的辐射效率在65%73.4%之间，相比于测试天线辐射单元，天线辐射效率提高r3%-8%左右,本文设计的4单元MIMO天线辐射效率在实际工程中满足应用条件的需求。3天线对人体辐射吸收（SAR）

20、的分析现代人们越来越关注电子产品对人体的影响.一地实脸已表明电磁辐射对人体具有潜在的影响山）。目前在欧美日等发达国家，手机辐射问题受到公众的关注，不90807060Maxradiationefficiency73.4%人射氧牛).MlXKXrtHffttt.«inr«（u«aMinradiationefficiency65°o£<翊安(b)3.55GHz天线测试H平面图3234363840频率/GHz图13天线测缺各个端口辐射效率图的SAR值为1.6W/kg从1999年2月I日起，欧洲开始实行机电磁辐射防护，标准SAR值为2.0W/kg。

21、本文应用XFDTD7.3版本，对人体头部电磁学SAR进行仿真,图14为人体和大线建模仿点图图!23.55GHzE面和H面平面方向图同的国家对手机电磁辐射安全标准的规定有所不同。1997年,美国FCC公布手机电磁安全评价标准，规定(a)天线和人体正而图(b)天线和人体侧面图图14XFDTD仿真大线和人体模叫仿真天线在人体头部左侧距离3.5n)m左右的位置。XFDTD提供的人体模型拥有人体头部上半部分器Tf，软件内部模型提供器官、血液、骨骼等较多的仿真模型。图15为人体吸收电磁仿真情况18WAg18W/Ug18W/kg0W/kg05W*q1W/kg15W*g05W/kg(b)人体俯视头脑图0W/k

22、g05W/kg1W/kg15W4g-05WAg(a)人体正面图05W/kg1W/kg15W/kg0W/kg-05W/kg0.5W/kg1Mg1.5W/kg18W/kg(c)人体左脑(手机接收面)图3)人体右脑图图15XFDTI)仿立人体吸收SAR0WAg-05W/kg（下转第9页）5电子技术应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)作者简介：向爽(1995-).女，硕士研究生，主要研究方向：无线通信。(上接第5页)通过XFDTD软件分析.天线主要辐射在左侧脑部、脸颊和耳部，表2为仿箕人体各个部分吸收情况。其中N78频段为3.3-4.2GHz频段。表2SAR吸收比率表仿K频段测试部分吸收值(SAR)/(W/kg)N78左脑1.536N78右脑0.573N78鼻子0.386N78左眼0.869N78右眼0.036N78左耳1.572N78右耳0.086N78脸颊0.256N78嘴0.036N78下娘0.058从表2SAR吸收比率可以后出，天线辐射最高为1.572

24、W/kg天线整体辐射小于1.6W/kg标准，满足夭线在人体辐射SAR设计中的需求。4结论本文提出了一种面向5G商隔离度4单元MIMO天线，天线工作在5G测试频段全向性的辐射满足手机天线设计要求。天线留出净空区，设计的圆形开槽结构拥有史好的隔离度，防止天线结构和射频电路、手机元器件耦合.天线辐射效率良好。通过仿真分析SAR吸收比率，结果显示吸收值小于标准(1.6W/kg)o本文设计的天线可给未来5G天线设计研发提供一定的设计参考一参考文献|1EODOR,G.RAJATHEVAN.ZIRWASW.etal.AnoverviewofmassiveMIMOtechnology-componentsin

25、METISJ.IEEECommunicationsMagazine.2017,55(6):155-161.2|齐畅.物龙祥.5G超密集组网的多点协作传输和功率分配策略【J.电子技术应用,2019.45(2):64-67,72.|3|本刊讯.通信匚程爱立信和中国联通宣布在肖岛港打造5G智惫码头J.中国工程咨洵,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):