一款用于翻蓋手機中的四單元天線系統

王 煊 杜正偉

(清華大學電子工程系微波與數字通信國家重點實驗室， 清華信息科學與技術國家實驗室(籌)，北京 100084)

1.引 言

在基站和移動終端中都采用多輸入多輸出天線的MIMO(Multiple Input Multiple Output)技術，由于其可提高傳輸速率和改善傳輸質量的能力而被認為是下一代移動通信的關鍵技術[1]。但受到移動終端尺寸的限制，在移動終端中設計具有低互耦及高效率的多個天線單元是十分困難的。在現代無線通信中，為了實現多功能，通常需要所使用的天線具有寬頻或者多頻帶的性能。因此，在移動終端中設計寬頻或者多頻段的多天線系統依然是一個巨大的挑戰。

在現有的文獻中，大多數的MIMO天線設計都是兩個天線單元的情況。只有很少的論文中給出了四單元天線設計的實例[2-4]。文獻[2]給出了一款用于便攜MIMO設備中的四單元天線設計，但是該天線單元只能工作在2.4 GHz WLAN頻段。文獻[3]給出了一款超寬帶的四單元天線設計，它的工作頻帶從2 GHz到6 GHz。但是該天線的尺寸太大，并不適合于移動終端。文獻[4]給出了一款支持選擇功能的四單元天線的設計方案，但是這款天線只能覆蓋UMTS頻段，并不能覆蓋2.4 GHz WLAN頻段。

本文提出了一款用于翻蓋手機中的四單元天線，它能夠覆蓋UMTS(1920～2170 MHz)和2.4 GHz WLAN(2400～2484 MHz)兩個工作頻段。其 -10 dB 阻抗帶寬從1870 MHz 到2560 MHz.在整個工作頻帶內，天線單元之間的互耦均不超過-10 dB.本文的第二部分，給出了天線的結構及具體的尺寸。第三部分通過參數分析研究了天線的性能；在這部分，也給出了天線原型的實測結果，包括天線的回波損耗、天線單元之間的互耦，以及天線單元的輻射方向圖。

2.天線結構

所提出的天線的結構及具體尺寸見圖1，這款四單元天線系統的正面和背面見圖1(b)～圖1(e)。該天線印刷在兩塊尺寸相同的FR4介質板上。每塊介質板的尺寸均為99 mm×54 mm×0.8 mm.介電常數均為4.4.介質板被認為是翻蓋手機中的電路板。如圖1(a)所示，地板1和地板2分別被認為是翻蓋手機中蓋子部分及鍵盤部分的地板平面。這兩部分互相平行，通過一個8 mm×6 mm的金屬片進行連接。這樣，該天線系統中的四個天線單元就能夠有一個共同的地平面。

如圖1(c)所示，地板1由兩部分組成：一部分是一塊長84 mm，寬54 mm的矩形主地板平面，另一部分是一塊帶有彎折線的十字形地支結構，該地支結構的總高度為15 mm，如圖1(e)所示。地板2有著和地板1相同的結構，但是其具體尺寸略有不同。地板2中的矩形主地板平面長89 mm，故而地板2中的十字形地支的高度只有10 mm.這款天線中引入的十字形地支結構不僅能夠拓展天線單元的阻抗帶寬，而且能夠減小天線單元之間的互耦。地支結構對天線性能影響的具體討論見本文的第三部分。天線系統中使用的四個天線單元均為簡單的倒L形單極子天線，每一個單極子天線均由50 Ω微帶線直接進行饋電。其中，天線單元1和天線單元2直接印刷在介質板的正面，天線單元3和天線單元4是三維結構的天線單元。這兩個天線單元超出主地板平面的部分沿著圖1(d)中的虛線向兩塊主地板之間的縫隙處彎折，這樣放置天線單元可以進一步減小天線單元的尺寸。所有的四個天線單元都有相似或者對稱的結構，以實現四個天線單元的功率平衡。天線系統的具體尺寸見圖1.

(a) 天線三維結構圖

(b) 天線單元1和天線單元2全視圖(黑色、灰色分別表示介質板正面和背面的金屬部分)

(c) 天線單元1和天線單元2的地支結構

(d) 天線單元3和天線單元4全視圖(黑色、灰色分別表示介質板正面和背面的金屬部分)

(e) 天線單元3和天線單元4的地支結構圖1 天線結構(單位：mm)

3.參數分析及天線性能

為了得到更好的天線性能，我們做了大量的仿真研究，對天線的尺寸進行了優化。在本文中，所有的仿真結果都是通過高頻仿真軟件HFSS得到的。由天線結構的對稱性和互易原理可知，該天線系統的S參數滿足以下關系：S11=S22，S33=S44，S12=S21，S34=S43，S13=S31=S24=S42，S14=S41=S23=S32.在參數分析的過程中，當某個參數變化時，其他的參數取圖1中所示的值。

圖2 有短銅條和沒有短銅條兩種情況下天線單元1和天線單元2(S11=S22)的帶寬變化

圖1(c)和圖1(d)中的短銅條對該天線系統的性能影響很大。圖2給出了有短銅條和沒有短銅條兩種情況下天線單元1和天線單元2(S11=S22)的阻抗帶寬的變化情況。從圖中可以看出，地支結構上加入短銅條會使得天線的整個工作頻段向低頻端移動。天線單元3和天線單元4在有短銅條和沒有短銅條兩種情況下的帶寬變化情況也與之類似。因此，為了使得設計的天線系統覆蓋UMTS頻段，在地支結構中加入短銅條是必要的。

天線系統中使用的十字形地支結構不僅能夠拓展天線單元的阻抗帶寬，而且能夠降低天線單元之間的互耦。十字形地支結構中最重要地影響天線性能的參數是d1，h1，d2和h2，這些參數標示在圖1(c)和圖1(e)中。圖3給出了天線單元3和天線單元4(S33=S44)的阻抗帶寬隨d2的變化情況，圖4給出了天線單元3和天線單元4之間的互耦隨d2的變化情況。從圖中可以看出，隨著d2的增大，天線單元的-10 dB阻抗帶寬會減小。但是，d2越大，天線單元之間的互耦越小。因此，在選擇參數d2時，需要在天線的帶寬和互耦之間取一個折衷。圖5中所示為天線單元3和天線單元4(S33=S44)的帶寬隨h2的變化情況。由圖可知，h2增大會減小天線單元的阻抗帶寬。圖6給出了參數h2對天線單元3和天線單元4之間互耦的影響。h2越大，越有助于減小兩天線單元之間的互耦。因此，同d2的選擇類似，h2的選擇也存在著在帶寬和互耦之間取折衷的問題。參數d1和h1對于天線單元1和天線單元2性能的影響情況與上述d2和h2對天線單元3和天線單元4的影響類似。在這款天線的設計中，合理選擇d1、h1、d2和h2的參數值成為優化天線性能的一個關鍵問題。

圖3 天線單元3和天線單元4的帶寬(S33=S44)隨d2的變化情況

圖4 天線單元3和天線單元4的互耦隨d2的變化情況

圖5 天線單元3和天線單元4的帶寬(S33=S44)隨h2的變化情況

綜合考慮了天線系統的帶寬和互耦之后，選擇一組參數值(d1、h1、d2、h2)=(10 mm、1 mm、8 mm、2 mm)作為該天線系統的最終尺寸。為了驗證仿真結果，作者制作了一款該天線系統的天線原型并對其性能進行了測量。實測的天線帶寬情況見圖7，實測的天線單元之間的互耦情況如圖8所示。從圖中可以看到，該天線系統公共的-10 dB阻抗帶寬從1870 MHz到2560 MHz，覆蓋了UMTS和2.4 GHz WLAN兩個頻段。而在工作頻帶范圍內的天線單元之間的互耦均不超過-10 dB.

除了S參數，作者還在微波暗室中測量了該天線系統在2050 MHz和2450 MHz兩個頻點的遠場輻射方向圖。圖9給出了四個天線單元2050 MHz時在三個正交平面內(x-y平面、x-z平面和y-z平面)的增益方向圖。從圖中可以看出，這四個天線單元的方向圖在空間中具有互補的特性，尤其是在x-y平面和y-z平面內。這樣的性質有助于獲得方向圖分集增益。2450 MHz時的方向圖與圖9類似，為簡潔起見，這里沒有畫出。

圖6 天線單元3和天線單元4的互耦隨h2的變化情況

圖7 天線系統的實測帶寬情況

圖8 天線系統的實測互耦情況

(a) x-y平面

(b) x-z平面

(c) x-z平面圖9 四單元天線系統在2050 MHz時的實測增益方向圖

包絡相關系數ρe和平均有效增益MEG是MIMO/分集天線系統的重要參數。由文獻[5]中定義的無線傳播環境和文獻[6]中提供的計算方法，這兩個參數可以由實測的輻射方向圖計算得到。計算結果見表1。表中的參數Г是入射場的交叉極化分辨率(垂直極化與水平極化的功率密度之比)。在本文中，取Г為0 dB和6 dB，分別代表了室內和城區環境中的典型值[7]。從表中的計算結果可以看出：這款四單元天線系統滿足對于分集天線的性能要求，即ρeij<0.5和Pi≈Pj(|MEGi-MEGj|<3 dB；i，j=1，2，3，4；i≠j)[7]。該結果表明：這款四單元天線系統能夠提供很好的分集性能。

表1 四單元天線系統的包絡相關系數ρe和平均有效增益MEG

注：MEG：平均有效增益

4.結 論

本文給出了一款用于翻蓋手機中的四單元天線設計。它四個天線單元公共的-10 dB阻抗帶寬從1870 MHz到2560 MHz，覆蓋了UMTS和2.4 GHz WLAN兩個工作頻段。在整個工作頻段內，天線單元之間的互耦最大不超過-10 dB.文中還討論了一些重要結構參數對天線性能的影響。計算得到的包絡相關系數和平均有效增益結果證明該天線系統能夠提供很好的分集增益。

[1] Foscini G J，Gans M J.On limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas[J].Wireless Personal Commun.，1998，6(3):315-335．

[2] Chiu C Y，Murch R D.Compact Four-Port Antenna Suitable for Portable MIMO Devices[J].IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.，2008，7:142-144．

[3] Lin S Y，Huang H R.Ultra-wideband MIMO Antenna with Enhanced Isolation[J].Microw. Opt.Techn.Let.，2009，51(2):570-573．

[4] 李正夷，杜正偉，龔克，等.自適應MIMO系統中的支持選擇功能的四單元天線[J].電波科學學報，2009，24(3):383-388．

[5] Ko S C K，Murch R D，Compact integrated diversity antenna for wireless communications[J]，IEEE Trans.Antennas Propagat.，2001，49(6):954-960．

[6] Taga T，Analysis for mean effective gain for mobile in land mobile radio environments[J]，IEEE Trans.Veh.Technol.，1990，39(2):117-131．

[7] Vaughan R G，Andersen J B，Antenna diversity in mobile communications[J]，IEEE Trans.Veh.Technol.，1987，36(4):149-172．