【《宽带MIMO手机天线设计》12000字】

宽带MIMO手机天线设计摘要MIMO技术可以大大减少信道衰弱，进而提高天线性能。关于MIMO移动终端系统天线设计，会存在很多很多的问题如：狭窄的空间和放置数个天线之间，数个天线之间的隔离与有限的空间之间，还有宽带与天线尺寸之间的冲突。因此，对于宽带高隔离度的便携终端设计天线对未来的发展有非常重要的意义。本文介绍了天线的基本理论知识和关于本研究课题的MIMO手机天线的相关理论，后引入相关系数和平均有效增益比来评价MIMO分集的性能。天线设计要求：频段范围为2.3-6.5GHz(|S11|≤-10dB)，首先创建两个对称的由双枝节组成的G型单极子，通过调节其具体参数，使天线覆盖频率达到要求所需。然后在地板上利用两个倒L型枝节形成倒T型馈线槽，从而对两个G型单极子进行隔离，以提高天线之间的隔离度。关键词：MIMO天线；双枝节；MIMO技术；隔离目录TOC\o"2-3"\h\z\u\t"标题1,1"1绪论 [13],在地板引入等效为带阻滤波器的多单元枝节和缝隙就是降低耦合的中心思想。（a）天线模型图（b）天线仿真与测量曲线图1.17PIFAMIMO天线（5）缺陷地下图1.18所示是频段覆盖范围为2.4-6.55GHz的U型双枝节宽带MIMO天线。隔离是在π/2的倾斜的L型弯曲折叠的缝隙处和多加一条金属带的接地板上这两个地方。两处隔离各有优缺点，前面一个可以降低在低频段进行耦合的频率，使其在高频段增大天线带宽，后面一个最大的优点是隔离度达到最佳。引入倒三角两个能改变表面电流的分布。（a）天线模型图（b）天线仿真与测量曲线图1.18小型手机宽带MIMO天线1.3论文各部分内容安排本文是基于无线通信的背景，基于历年以来各研究中心和学者对宽带MIMO手机天线的研究，得出该类天线宽带和隔离度不够完善的弊端，所以本文就天线的宽带和隔离度进行优化研究，后面对MIMO手机天线的各种优化方案进行设计。主要研究内容包括以下三个方面：第一章是绪论，先说明了手机相关天线研究的情况和含义。接着阐述国内外研究情况，主要是有关MIMO天线研究的发展情况。后面说明提高MIMO天线单元间隔度和实现宽带宽的具体方法。第二章是天线基础理论研究。阐述了天线的各类主要参数的定义、公式等等。第三章是基于双枝节结构的宽带MIMO手机天线设计。首先阐述了关于单极子天线利用双枝节产生的谐振方式形成宽频带。介绍了两种增大隔离度，提高天线性能的方法。通过在天线仿真软件中进行天线设计，进而进行仿真。得出该天线具有我们所需要的天线性能。论文最后部分是对本次天线设计进行总结和展望。2MIMO天线基础理论研究2.1引言天线是无线通信系统的主要组成部分，天线的各个方面都能影响到整个天线系统。表示天线性能的指标是天线的各类参数，包括参数的含义和公式等等。2.2天线主要参数衡量MIMO天线性能要考虑如下因素：Sparameter，AE，Radiationpattern，Gain，Correlationcoefficient等等。2.2.1输入阻抗天线的输入阻抗是指天线馈线与发射机相连接的端点处的电压与电流的比值，不仅如此，输入端的阻抗也和环境、系统结构有关，表示式（2.1）如下：Zin=Uin要使天线性能最佳需要使电抗分量尽可能达到零。影响天线输入阻抗的因素我们可以通过各种办法调节，使天线的输入阻抗电抗分量尽量小，或者达到零，但是这在实际情况中不存在这种情况的。这时候我们需要选择合适的馈线和阻抗匹配器，不然天线的传输功率的效率会大大降低。在本次是天线设计中我们选用50Ω标准阻抗的馈线，50Ω阻抗的馈线是射频微波频段一般会选择的馈线。2.2.2电压驻波比、反射系数及阻抗带宽（1）电压驻波比当天线馈线特性阻抗与输入阻抗不同时，相邻电压的最大值与最小值之比为电压驻波比。电压驻波比是验证馈线传输效率的证据。电压驻波比(VSWR)是符合和回波损耗的相似的量度。有一点不同的是电压驻波比是线性标量。所以和输入端口的S11和输出端口的S22的大小、电压反射系数的大小有关。电压驻波比表达式（2.2）如下：VSWR=VmaxV（2）反射系数反射系数是反射电压和入射电压之比。反射系数Γ表示式（2.3）为：Γ=Zinz−（3）阻抗带宽天线的带宽本质是一个频率范围，在这个范围内，天线的电参数不会随频率的改变而变坏。一般用下面3种方法来归类天线带宽：绝对带宽Ba,表示电参数在准许频率范围内最高频率与最低频率的差值，即公式（2.4）：Ba=fℎ−一般用绝对带宽表示天线的实际工作频率。相对带宽Br,代表绝对带宽Ba带宽中心频率fo的比值，即公式（2.5）：Br=Ba比值带宽，代表电参数在容许频率范围内最高与最低频率的比值。天线带宽的另外一种表现方法是阻抗带宽，表示天线的阻抗跟随频率变化特性，说明端口的匹配情况。2.2.3辐射方向图、方向性系数、增益、效率（1）辐射方向图辐射方向图简称方向图，又称辐射波瓣图、远场方向图。它表示天线和其他信号产生的无线电波的强度大小和具体方向之间的关系，是反映特定方向的辐射强弱。辐射模式有不同的数据，模式的名称也不同。辐射场强的模式称为场强方向图，辐射功率密度的模式称为功率方向图，用相位表示时称为相位方向图。图2.1是三维方向图。图2.1三维方向图图2.2（a）是极坐标场方向图，(b)是极坐标功率方向图。图2.2（c）是直角坐标系方向图。（a）极坐标场方向图（b）极坐标功率方向图（c）直角坐标系方向图图2.2主平面方向图（2）方向性系数天线的方向系数D是远区场的某一球面上天线的辐射功率密度与平均辐射强度的比值，即公式（2.6）：D(θ,φ)=Uθ,φU0其中Uo公式（2.7）：U0=14π0（3）增益天线增益(Gain,G)是指天线在某个方向上对总射频功率的有效利用程度，和方向性系数的条件相似，一般用远场区某点的功率密度与无方向性天线的功率密度的比值来表示。符合这种表示方法需要满足两个条件，一是采取同一点功率密度，二是两副天线的辐射功率相同。天线增益G的计算公式为（2.8）：G=4πPin（4）效率效率是指有做功的能量与总的能量的比值。在任何的其他工作过程中，必然会产生一定损耗，输入在任何环境都会被消耗多多少少，天线系统工作的过程也不例外，天线效率是一个由天线向外辐射的功率值与一开始输入到天线的有功功率的比值，输入天线的为总的功率，天线向外辐射的总功率的一部分，所以天线功率肯定是一个小于1的数值。天线效率表达式为（2.9），即：ηA=PradP2.2.4互阻抗和互耦系数在天线设计方面，多天线单元的天线自身单元之间会产生影响，当这种影响导致电流变化。这时我们称之为互耦，表征互耦程度的参数称为互耦系数。在关于MIMO手机天线涉及到两个或两个以上的天线单元时，可以观察仿真结果的散射参数S21或者S12来分析相互耦合的程度。因为附近环境会影响MIMO天线，随意在MOMI系统中的参数描述单个天线的总体参数会有大大的不同之处。天线单元间有互耦的存在是改变的原因。天线阵列的特性决定于不同的耦合。图2.3（a）所示的是天线单元间互耦模型，图2.3（b）所示是第m个天线单元的等效模型。Zmg表示第m个端口等效的终端，Vmg表示第m个端口等效的电压源。图2.3（a）证实耦合来自三个地方：一是除自身以外的天线单元之间直接耦合，二是其他邻近物体散射回来的间接耦合，三是公用地板或馈电网络带来的耦合。图2.3（a）是天线单元间互耦模型，公式（2.10）用网络电路分析方法表示：V1=Z11IZmn表示阵元n和阵元m两个端口间的互阻抗。（a）天线单元间互耦模型（b）第m个天线单元的等效模型图2.3只有两个单元天线的话，就能用双端口网络电路来编的简单些。同时通过图2.3（b）第m个天线单元的等效模型和互易定理能得出端口1和端口2的输入阻抗表达式（2.11），即：Z1=V1I图2.4是天线间耦合等效图。图2.4天线间耦合等效图2.3本章小结本章阐述了天线的基础理论知识。通过本章能更深一层次的明白和把握天线设计分析，主要介绍了天线的主要参数，包括参数的含义，公式等等。3基于双枝节结构的宽带MIMO手机天线设计3.1引言本章提出了一个G型双枝节的单极子天线作为MIMO天线单元。可以改变单极子的各类枝节参数值，激励新的谐振模式进而产生宽带特性。因为想要提高两个G型单极子天线单元的隔离度，采取地板隔离枝节与T型缝隙槽相联合。这两种办法相结合能使天线在宽频带里都有良好的隔离度。本章提出来一种新的去耦方法：在两个彼此相互依赖或靠得很近的天线单元中加入一对相隔非常接近的形似字母T的槽线和形似倒过来的字母L的隔离枝节就能达到天线设计的要求。如果想让隔离枝节在低频段起到隔离的效果，就要加入形似倒过来的字母L枝节。如果想要在高频段起到隔离效果的话，就在地板上蚀刻形似字母T的缝隙槽线。虽然两个隔离枝节比较近，但对天线以外的耦合作用没有影响。总而言之，天线具有以下优点：一是高隔离度；二是分集性能优良；三是结构紧凑。非常适合应用于宽频带的MIMO移动终端系统。3.2天线设计与仿真图3.1所示为本章提出的天线结构。其中，l1=2.7mm,l2=4.5mm,l3=5.1mm,l4=13mm。设计的天线材料是FR-4的介质基板，该介质基板的长度为55mm，宽度为50mm，高度为0.8mm，基板δr=4.4两个与中心轴对称的双枝节形似字母G的单极子形成MIMO天线。一个双枝节G型单极子天线的长度为17.7mm，宽度为13.5mm。在地板上，加入一对相隔非常接近的形似字母T的槽线和形似倒过来的字母L的隔离枝节。（1）天线的设计过程a设计一个天线单元，具有宽带特性的。该天线是由慢慢接近的几个相似的谐振方式实现宽频带。两枝节各自的长度参数和距离参数都能影响谐振频率和天线性能。b天线为两个与中心轴对称的双枝节单极子组合的。为了增强隔离度，在地板上加入隔离枝节。因为两个形似字母L的隔离枝节对天线性能的影响比较大，所以要准确的确定l2到两个枝节的距离。l4的长度也会影响天线的性能。c提高高频段的隔离度是通过在地板上加刻T型的缝隙槽来实现的。两个隔离枝节的部分天线形成形似字母T的缝隙。先确定双枝节G型单极子天线的大小，第一步就是要知道这两个枝节的长度。根据公式3.1算出单极子的长度和频率。f=cε∙2l,ε=ε如图3.1所示，枝节1的长度值是40mm，枝节2的长度值是28mm。算出枝节1在一半波长共振点激发的频率是2.28GHz，枝节2在一半波长共振点激发的频率是3.26GHz。使天线的性能得到优化，在形似字母G的单极子底部加入一块矩形天线结构。图3.13.3仿真结果与分析图3.2各自给出了只有枝节1，枝节2，枝节1、2都有的情况是的仿真S11参数。根据图3.2能得出这个结论：在1.9GHz时，枝节1在一半波长处有共振点。在2.84GHz时，枝节2在一半波长处有共振点。因为其中一个G型单极子的底部开路了，所以有向低频移动的趋势。图3.2只有枝节1,枝节2，枝节1和2都有的仿真曲线图3.3是没有加隔离措施和只有倒L枝节做隔离措施的天线S参数仿真曲线。能在图中看出来，除了在4.6GHz周围有比较适合的隔离度，其他频段都不符合要求。因为天线单元间距比一半的波长还要小的多，所以会除自身的天线单元外，产生耦合作用。我们可以通过仿真软件的电流分布图看出来，该点在4.6GHz耦合较弱。图3.3没有加隔离措施和只有倒L枝节做隔离措施的天线S参数仿真曲线3.4天线的电流分布图、方向图、增益和三维方向图图3.4是在4.5GHz时，没有隔离措施的MIMO天线的电流分布图。该天线模型的1是并无耦合电流造成的DC，该天线模型的2的电流主要分布在底端。该天线模型可以看做是由多个缝隙构成的谐振阵。因为被这个谐振阵辐射导致电流无法向该天线模型的1。图3.4没有隔离措施的MIMO天线的电流分布图前面提到了，该天线在别的频带范围内无法满足天线设计的要求，就要提高天线的隔离的。第一步的选择是在天线模型上加入地板枝节，进而增大该天线的隔离效果。L枝节的长度值是30.3毫米,位于枝节1和枝节2之间的长度（40mm-28mm）之间。图3.3只给出采取倒L枝节隔离措施之后，天线的隔离度只在低频范围内有有所增强，在其它频段范围内无明显变化。为此，在地板中部加形似字母T的缝隙，进而增强高频段范围。就是引入槽线引发陷波的作用，进而阻止表面电流流向另一个天线单元。公式3.1能推断出T型槽思维水平初始长度，通过仿真优化选定的T型槽的水平长度值是14.3mm，恰好工作在6.3GHz的半波长谐振处，满足天线设计的要求。图3.5是没有采取隔离措施和采取隔离措施的两类MIMO天线在2.5GHz、4.5GHz、6.0GHz频段的电流分布图。从图3.5（a）,在2.5GHz时，没有采取隔离措施，地板中间有很强烈的表面波电流。采取隔离措施，右边倒L枝节把表面波全部反射回去，虽然左边的倒L枝节和右边的倒L枝节距离很近，但是左边的倒L枝节和天线单元之间的耦合电流近乎是零。从图3.5（b）,在4.6GHz时，两个隔离枝节之间不存在耦合电路产生的DC，原因是不存在隔离手段时，天线的接地板与其它天线单元不存在交流。从图3.5（c），在6.0GHz（高频）时，T型槽上有强烈的电流信号，因为形似字母T的槽线的状态是共振，所以导致频率迅速衰减。上面的分析和仿真结果说明设计的隔离措施有优良的隔离性能。(a)2.5GHz(b)4.6GHz(c)6.0GHz图3.5电流分布图为了优化设计，对l1,l2,l3,l4参数镜像扫参分析。如天线设计图所示，l1,l2,l3,l4分别对应该天线结构的各类参数值。最终优化结果，l1=2.7mm,l2=4.5mm,l3=5.1mm,l4=13mm.图3.6是l1值分别为2.4mm、2.7mm、3.0mm时，天线仿真的结果。当l1取不同的值时，天线的性能有所不同，但在回波损耗图里影响不明显。当频段处于5GHz以上时，天线回波损耗曲线的第三和第四个谐振点所受影响较大。对S21的影响是S21的隔离度会随着l1值的增大而变好。原因是随着l1值的增大，倒L枝节最前端会离开G型单极子最前端。所以耦合会减少。(a)不同l1值，天线参数S11仿真曲线图（b）不同l1值，天线参数S21仿真曲线图图3.6不同l1值，天线参数S仿真结果图3.7是不同l2值，天线S参数仿真结果，S11近乎不受作用，不过，在低频处，由于12参数的不同，例如增大该参数，会导致隔离度提高。但当天线覆盖频段为较高时，增大l2参数的数值，G型天线和倒L枝节的距离会越来越远，不过，接地板的倒L枝节的距离会越来越短。因此，一部分在低频段，隔离提高的是位置相差位置越远G型单极子与形似倒L的枝节，另一部分在天线工作范围处于高频段的同时倒L枝节的距离越短的前提下，会对隔离度产生比较大的影响。(a)不同l2值，天线参数S11仿真曲线图(b)不同l2值，天线参数S21仿真曲线图图3.7不同l2值，天线S参数仿真结果图3.8是不同l3值，天线S参数仿真结果。随着l3值增大，T型槽水平方向长度就越短。在6.0GHz频段周边，S21的隔离度从最小点移向高处。这证实当接地面的两个倒L枝节形成的T型槽线的陷波点大概是处于6.0GHz的半个波长位置，尝试增加波长的位置的距离，会导致天线覆盖频段处于低频段位置，反之，当波长位置距离缩短会使天线的覆盖频段提高。(a)不同l3值，天线参数S11仿真曲线图(b)不同l3值，天线参数S21仿真曲线图图3.8不同l3值，天线S参数仿真结果图3.9是不同l4值，天线S参数仿真结果，由此能看出l4对天线的影响作用更加大。在S11曲线中，l4值越大，出现第2个与第3个谐振频点的位置会改变到更高的覆盖频段，而且会导致天线的性能变差。根据图的S21可知天线距离隔离度数值波动明显。即使是l4很细微的数值波动，仍然导致S21数值波动明显。从图3-1，天线的结构能看出来，G型双枝节单极子天线的枝节1，它的最前端与之相邻是倒L枝节的最后端，这两个枝节必定有耦合作用。同时也能看作是天线的性能被容抗部分影响，因此会影响S11匹配。上面的参数分析说明，l4对天线S21的影响大于l3、l4；l4、l1对天线S11的影响大于l2、l3。（a）不同l4值，天线参数S11仿真曲线图（b）不同l4值，天线参数S21仿真曲线图图3.9不同l4值，天线S参数仿真结果图3.10是在4.5GHz频段时，天线的辐射方向图。图3.10天线的辐射方向图图3.11是天线xz面和yz面增益方向图。图3.11xz面和yz面增益方向图图3-12是三维增益方向图。图3.12天线三维增益方向图3.5本章小结本章节阐述了一种G型双枝节宽带MIMO天线，天线有如下优点：宽频带，优良的隔离度，结构紧凑。天线是由两个弯曲折叠的枝节组合成形似字母G的单极子，能缩小天线的大小，具有宽频的性能。因为地板T型缝隙槽与倒L隔离枝节一起发挥作用，所以天线有优良的隔离度。总结和展望本文的主要是对两个方面的内容展开进行研究。第一方面是移动终端宽带MIMO天线的宽带特性；第二个方面是提高天线宽带的隔离度。MIMO技术不断发展进步，有更多的人投身进入这个领域里，MIMO天线是MIMO技术不可或缺的一员。在移动设备中，天线大小，高隔离度，小型化是妨碍技术发展的一个难关。所以移动终端设备要考虑这些问题。本课题的天线结构是由一个形似字母G的双枝节单极子形成的。利用优化形似字母G的双枝节单极子的长度和耦合的距离，符合该天线结构的谐振方式，并且两个天线单元互相接近。同时激励新的谐振模式进而产生宽带特性。因为想要提高两个G型单极子天线单元的隔离度，采取地板隔离枝节与T型缝隙槽相联合。这两种办法相结合能使天线在宽频带里都有良好的隔离度。然而，本文的重点是符合阻抗匹配特性的宽频带天线，在其它特性也能保持宽频带的探索有所欠缺。同时MIMO天线还有一个难题，那就是在天线单元之间加载地板缝隙与隔离枝节会对天线单元自身的性能产生影响。参考文献丘福深.宽频带/双频带小型化天线的设计与研究[D].桂林电子科技大学,2020.夏星星.移动终端宽带MIMO天线研究[D].华南理工大学,2014.AhsanMR,IslamMT,HabibUMandMisranN.BandwidthEnhancementofaDualBandPlanarMonopoleAntennaUsingMeanderedMicrostripFeeding[J].TheScientificWorldJournal,2014,2014:1-8.WongKL,WuCH.Wide-bandomnidirectionalsquarecylindricalmetal-platemonopoleantenna[J].IEEEtransactionsonantennasandpropagation,2005,53(8):2758-2761.WuY,LiaoM,SuMandLiuY.Anoveldifferentialdual-frequencypatchantennawithbandwidthenhancement[J].Electromagnetics,2015,35(1):40-48.WongK.I,ChenW.Y.Small-SizePrintedLoop-TypeAntennaIntegratedwithTwoStackedCoupled-FeedShortedStripMonopolesforEight-BandLTE/GSM/UMTSOPERATIONinTheMobilePhone[J].MicrowaveandOpticalTechnologyLetters,2010,52(7):1471-1475.褚庆听,叶亮华,小型小型双频E型缝隙手机天线[D].电波科学学报，2010,25(6):1073-1078.LiJ.F,ChuQ.