一種用于筆記本電腦的雙頻段八天線系統

一種用于筆記本電腦的雙頻段八天線系統

郭琳1,2王巖3杜正偉3高攸綱2石丹2

(1.北京郵電大學電子工程學院,北京 100876;2.工業和信息化部電信研究院,北京 100191;

3.清華大學電子工程系 清華信息科學與技術國家實驗室(籌),北京 100084)

摘要提出了一種應用于筆記本電腦的雙頻段八天線系統．該八天線系統由一個四天線系統、兩個雙天線系統和兩個T形諧振帶構成．在分析了四天線系統和兩個雙天線系統的耦合機理后,提出了減小耦合的方法．實測結果表明:天線樣品在2.4-GHz 無線局域網(Wireless Local Area Network,WLAN)頻段的-10 dB公共阻抗帶寬為90 MHz(2.4~2.49 GHz),在5.2/5.8-GHz WLAN頻段的-10 dB公共帶寬為0.9 GHz(5.15~6.05 GHz),其中在5.15~5.19 GHz頻段內的反射系數為-9.5～-10 dB;八個天線單元在2.4/5.2/5.8-GHz WLAN頻段內的互耦均低于-15 dB;在2.4-GHz和5.2/5.8-GHz WLAN頻段內的增益分別高于2.7 dBi和3.3 dBi、效率分別高于53%和65%．根據實測三維輻射方向圖計算了八天線系統的包絡相關系數．

關鍵詞八天線;四天線;雙天線;低互耦;筆記本電腦

中圖分類號TN958.93

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2015)04-0710-08

AbstractA dual-band octa-antenna system for laptop computers is proposed. The proposed octa-antenna system consists of a quad-antenna system, two dual-antenna system, and two T-shaped resonant strips. The mutual coupling between the quad-antenna system and the two dual-antenna systems is analyzed and reduced. The measured overlapped -10 dB impedance bandwidths of the fabricated antenna are 90 MHz (2.4~2.49 GHz) and 0.9 GHz (5.15~6.05 GHz) at the 2.4-GHz and 5.2/5.8-GHz WLAN bands, respectively. The reflection coefficient is between-9.5～-10 dB within the 5.15~5.19 GHz bands. The measured mutual couplings between the eight elements are all bellow -15 dB at the 2.4/5.2/5.8-GHz WLAN bands. The measured gains are

收稿日期：2014-09-25

作者簡介

Dual-band octa-antenna system for laptop computers

GUO Lin1,2WANG Yan3DU Zhengwei3GAO Yougang2SHI Dan2

(1.SchoolofElectronicEngineeringofBUPT,Beijing100876,China;

2.ChinaAcademyofTelecommunicationResearchofMIIT,Beijing100191;

3.TsinghuaNationalLaboratoryforInformationScienceandTechnology,Department

ofElectronicEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

資助項目: 國家科技重大專項(2012ZX03003002-002)； 北京市自然科學基金(4152025)； 廣東省科技計劃項目(2013B010401025)

聯系人： 郭 琳 E-mail: guolin@emcite.com

better than 2.7/3.3 dBi with measured efficiencies higher than 53%/65% at the two bands, respectively. The envelop correlation coefficient is calculated based on the measured 3D radiation patterns.

Key words octa-antenna; quad-antenna; dual-antenna; mutual coupling; laptop computer

引言

多輸入多輸出(Multiple-Input and Multiple-Output, MIMO)技術在移動通信系統的基站端和移動終端分別安裝多個天線,在不增加發射功率和額外頻譜使用的情況下,利用無線通信信道的多徑效應來增加系統容量、提高通信質量[1]．由于MIMO系統的優越性能,自MIMO技術提出以來,已經在基站端多天線系統[2]、移動終端多天線系統[3-4]和系統容量[5-6]等方面得到了廣泛的關注和大量的研究．

無線認證(Wireless-Fidelity, Wi-Fi)是一種將筆記本電腦、手機等移動終端以無線方式連接到互聯網的技術,是各種移動終端必備的功能之一．目前,幾乎所有的筆記本電腦都具有Wi-Fi功能．為了提高數據率來滿足用戶的無線體驗,IEEE 802.11標準已采用MIMO技術,將數據率提升到最低1 Gbps、最高7 Gbps的水平[7]．為了滿足最新的IEEE 802.11標準,需要在筆記本電腦中安裝多天線系統．由于筆記本電腦中留給天線安裝的空間有限,設計適用于筆記本電腦的小尺寸、低互耦的多天線系統較為困難．

文獻中已有適用于筆記本電腦的多天線系統的報告．文獻[8-11]設計了可以工作在2.4/5.2/5.8-GHz 無線局域網(Wireless Local Area Network,WLAN)頻段的雙天線系統,分別采用寄生單元[8]、雙頻帶狀諧振器[9]、嵌入螺旋槽的突出地結構[10]以及嵌入T型槽的突出地結構[11]來減小天線單元間的耦合．由于文獻[8-11]中的雙天線系統具有較小的尺寸、較低的互耦以及較好的輻射性能,它們能滿足實際的2×2 MIMO系統的應用需求．未來的MIMO系統需要4×4和8×8的多天線系統[12]．文獻[13]驗證了4×4 MIMO系統的容量在理論上是單輸入單輸出(Single Input and Single Output, SISO)系統的4倍．然而,有關在筆記本電腦中集成4個、6個或者8個具有低互耦的多天線系統的研究較少．文獻[14]設計了一款工作在2.4/5.2/5.8-GHz WLAN頻段的四天線系統,采用嵌入T形槽的突出地結構來減小天線之間的耦合．另外,文獻[15]設計了一款工作在2.4-GHz WLAN頻段的六天線系統．為了滿足最新的IEEE 802.11標準,本文將設計一款工作在2.4 (2 400~2 484 MHz)/5.2(5 150~5 350 MHz)/5.8 (5 725~5 875 MHz)-GHz WLAN頻段的八天線系統．

八天線系統可以由兩個四天線系統、一個四天線系統和兩個雙天線系統或者四個雙天線系統構成,為了利用已有設計成果并減小天線設計周期,本文將充分利用已有文獻中的雙天線系統和四天線系統來設計八天線系統．本文所設計的八天線系統由一個四天線系統和兩個雙天線系統構成,在分析天線之間的耦合機理后,通過使用T形諧振帶來減小天線之間的耦合,最終設計出了一款工作在2.4/5.2/5.8-GHz WLAN頻段的具有較好阻抗匹配和較低互耦的八天線系統．

1天線結構及參數

圖1為所設計的八天線系統,該八天線系統由一個四天線系統、兩個雙天線系統以及兩個T形諧振帶構成,四天線系統和兩個雙天線系統的原型分別參考了我們已經設計的四天線系統[14]和雙天線系統[11]．四天線系統[14]由兩個雙天線系統和一個解耦單元構成,構成四天線系統的兩個雙天線系統的原型也參考了我們設計的雙天線系統[11]．所以,該八天線系統亦可以認為是由四個雙天線(雙天線1、雙天線2、雙天線3、雙天線4)、一個解耦單元和兩個T形諧振帶(T形帶1、T形帶2)構成．為了更好地將天線安裝在筆記本電腦上,四個雙天線系統和解耦單元具有各自的地結構．在實驗中,雙天線的地和解耦單元的地均被顯示器金屬地覆蓋(即共地)．四個雙天線、解耦單元以及其地結構均印刷在相對介電常數為4.4、損耗角正切為0.02、厚度為0.8 mm的單面FR4介質板上．四個雙天線位置的選擇由筆記本電腦的整體布局決定,對八天線系統性能的影響可以通過對天線參數(d1和d2, 如圖1 (b)所示)的優化來抵消,具體天線尺寸如圖1和表1所示．顯示器金屬地是一塊尺寸為260 mm×200 mm、厚度為0.2 mm的金屬銅板,用于模擬13英寸筆記本電腦的顯示器以及其他電路．

(a) 八天線系統的整體結構和尺寸

(b) 各個雙天線系統的結構和尺寸

(c) 解耦單元的結構和尺寸 圖1　八天線系統的結構和尺寸(單位:mm)

雙天線1雙天線2雙天線3雙天線4d10.90.60.90.9d20.90.90.60.9

雙天線系統的原型為我們已經設計的一款工作在2.4/5.2/5.8-GHz頻段的雙天線系統[11],該雙天線系統由兩個天線單元和一個嵌入T型槽的突出地構成,如圖1(b)所示．天線單元為由一個激勵分枝和一個寄生環構成的耦合饋電環天線．寄生環主要工作在2.4-GHz WLAN頻段,諧振在四分之一波長環模式．激勵分枝主要工作在5.2/5.8-GHz WLAN頻段,諧振在四分之一波長單極子模式．突出地以及嵌入在突出地結構中的T形槽分別用來減小兩個天線單元在5.2/5.8-GHz WLAN頻段和2.4-GHz WLAN頻段的耦合．

四天線系統的原型為我們已經設計的一款工作在2.4/5.2/5.8-GHz頻段的四天線系統[14],該四天線系統由兩個雙天線系統和一個解耦單元構成．由于表面波的作用,當一個雙天線激勵時,表面波會沿著顯示器金屬地傳播到另一個雙天線,從而造成較強的耦合．為了減小兩個雙天線之間的耦合,文獻[14]在兩個雙天線之間引入一個解耦單元．該解耦單元由一個嵌入三個T形槽的突出地構成,如圖1(c)所示,T形槽2、T形槽1和3別諧振在2.442 GHz、5.5 GHz,用于抑制顯示器金屬地上的表面波傳播,從而在2.4/5.2/5.8-GHz WLAN 頻段內減小兩個雙天線之間的耦合．

如果直接將四天線系統和兩個雙天線系統安裝在顯示器金屬地上,四天線系統和兩個雙天線系統間將會有很強的耦合．為了減小耦合,本文在四天線系統和雙天線系統之間引入兩個T形諧振帶,如圖1(a)所示．為了更好地理解所設計的八天線系統,下一節將深入分析四天線系統和兩個雙天線系統之間的耦合機理和解耦方法．最后,為了測試該八天線系統,8根半鋼電纜(SFT50-1)的內導體和外導體分別連接在如圖1 (b)所示的A1～A8和B1～B8處．

2工作機理分析

文獻[11]已詳細地分析了雙天線系統中兩個天線單元之間的耦合機理及其解耦方法,文獻[14]已詳細地分析了四天線系統中兩個雙天線系統之間的耦合機理及其解耦方法,本文將主要分析四天線系統和兩個雙天線系統間的耦合機理及其解耦方法．下面,本節將首先分析四天線系統和兩個雙天線系統間的耦合機理,然后提出減小耦合的方法．本文中的所有仿真結果均為利用高頻結構仿真軟件(High Frequency Structure Simulate, HFSS)仿真得到．

2.1四天線系統和雙天線系統之間的耦合機理

為了分析四天線系統和兩個雙天線系統間的耦合情況,圖2給出了在沒有兩個T形諧振帶時,八天線系統的S參數．由于天線結構的對稱性,S11=S88、S22=S77、S33=S66、S44=S55、S12=S87、S13=S86、S14=S85、S15=S84、S16=S83、S17=S82、S23=S76、S24=S75、S25=S74、S26=S73、S34=S65、S35=S64．此外,由于S13、S14、S15、S16、S17、S18、S24、S25、S26、S27、S28、S34、S35、S36、S37、S38、S46、S47和S48都比較小,本文僅給出S11、S22、S33、S44、S12、S23、S34、S45的仿真和實測結果．

(b) 耦合系數 圖2　沒有T形諧振帶時的仿真S參數

由圖2(b)可以看出：當沒有T形諧振帶時,單元2和單元3在2.4-GHz WLAN頻段的互耦高于-15 dB; 而單元2和單元3在5.2/5.8-GHz WLAN 頻段以及其他單元在2.4/5.2/5.8-GHz WLAN 頻段的互耦均低于-15 dB．根據文獻[11,14]的分析,單元2和單元3之間的耦合來自表面波耦合,即當單元2(3)激勵時,表面波沿著顯示器金屬地傳播到單元3(2),從而造成較強的耦合．在5.2/5.8-GHz WLAN頻段,表面波在顯示器金屬地的拐角處(不連續處)會有較大的輻射,因而單元2和單元3在5.2/5.8-GHz WLAN頻段的耦合變弱．此外,當單元1(4)激勵時,由于集成在雙天線系統突出地上的T形槽可以抑制表面波的傳播,S12、S34、S45都比較小．所以,對于八天線系統,單元2(7)和單元3(6)在2.4-GHz WLAN頻段的耦合較強．因此,由于表面波的作用,八天線系統不能簡單地由一個四天線系統和兩個雙天線系統組成．

2.2四天線系統和雙天線系統之間的解耦方法

為了設計八天線系統,需要減小四天線系統和兩個雙天線系統間的耦合,即需要抑制四天線系統和兩個雙天線系統間的表面波．由于諧振的T形帶可以抑制表面波傳播[16],此處可以用來減小單元2/3(6/7)之間的耦合．本文選擇T形諧振帶作為解耦方法僅僅是為了驗證八天線系統的設計方法,其它任何可以抑制表面波的方法(如缺陷地結構、電磁帶隙結構)均可用來作為解耦方法．由于單元2和單元3僅僅在2.4-GHz WLAN頻段的耦合較強,而在5.2/5.8-GHz WLAN頻段的耦合較弱,T形諧振帶僅需要在2.4-GHz WLAN頻段抑制表面波傳播．圖3給出了圖1所示八天線系統的仿真S參數.由圖3可知,S12、S23、S34和S45在2.4/5.2/5.8-GHz WLAN頻段的互耦均低于-15 dB,可見T形諧振帶抑制了表面波的傳播從而減小了單元間的耦合．

(a) 反射系統

(b) 耦合系數 圖3　八天線系統的仿真S參數

為了深入地理解T形諧振帶的工作機理,圖4給出了有、無T形諧振帶時,天線工作在2.442 GHz

和5.5 GHz時的表面電流分布圖．圖4是在天線單元2接激勵源、其他天線單元接匹配負載的情況下得到的．由圖4(a)和(b)可知：當沒有T形諧振帶時,天線單元3在2.442 GHz時感應出較強的耦合電流,而在5.5 GHz時感應的電流較弱；其他天線單元在2.442 GHz和5.5 GHz時的感應電流全部較弱,此現象與圖2的S參數仿真結果一致．由圖4(c)可知,T形諧振帶諧振在2.442 GHz,可以抑制表面波的傳播,故天線單元3上的感應電流明顯減小．由圖4(d)可知,T形諧振帶在5.5 GHz不諧振,

(a) 2.442 GHz時的電流分布圖(無T形帶)

(b) 5.5 GHz時的電流分布圖(無T形帶)

(c) 2.442 GHz時的電流分布圖(有T形帶)

(d) 5.5 GHz時的電流分布圖(有T形帶) 圖4　天線單元2激勵時的電流分布圖

它對表面波的影響較小,故對天線單元3上的感應電流影響較小．

3測試結果及分析

為了驗證上述仿真結果,根據圖1所示天線結構和參數以及表1中的參數制作了天線樣品,如圖5所示．利用矢量網絡分析儀Agilent E5071B對天線樣品的S參數進行測試,并在微波暗室ETS-Lindgren AMS-8500對天線樣品的輻射性能進行了測試．

圖5　天線樣品照片

3.1S參數

該八天線系統的仿真和實測S參數分別如圖3和圖6所示,在八天線系統S參數的測試過程中,所有沒有使用的端口均接50 Ω匹配負載．由圖3可知:八個天線單元在2.4~2.54 GHz頻段內的仿真反射系數均小于-10 dB、八個天線單元在4.6~6.54 GHz頻段內的仿真反射系數均小于-10 dB,可以覆蓋2.4/5.2/5.8-GHz WLAN 頻段;在2.4/5.2/5.8-GHz WLAN頻段內八個天線單元之間的仿真互耦均低于-15 dB．由圖6可知:八個天線單元在2.4~2.49 GHz頻段內的實測反射系數均小于-10 dB、天線單元4(5)在5.15~5.19 GHz頻段內的實測反射系數為-9.5～-10 dB、八個天線單元(除天線單元4和5)在5.15~6.05 GHz頻段內的實測反射系數均小于-10 dB,可以較好地覆蓋2.4/5.2/5.8-GHz WLAN頻段;在2.4/5.2/5.8-GHz WLAN頻段內八個天線單元之間的實測互耦均低于-15 dB．仿真和實測的差異來自仿真軟件的計算精度、天線的加工精度以及測試誤差．

(a) 反射系統

(b) 耦合系統 圖6　天線樣品的實測S參數

3.2輻射性能

該八天線系統工作在2.442 GHz、5.25 GHz、5.8 GHz時的實測三維輻射方向圖如圖7所示,在輻射方向圖測試過程中,所有沒有使用的端口均接50 Ω匹配負載．由圖7可知,八個天線單元的輻射方向圖具有一定的互補性,可以提供一定的方向圖分集．另外,由于八個天線單元的安裝位置不同,可以提供一定的空間分集．所以,該八天線系統可以同時提供方向圖分集和空間分集．

該八天線系統在2.4/5.2/5.8-GHz WLAN頻段內的實測天線增益和天線效率分別如圖8和圖9所示．由圖8可知,在2.4-GHz WLAN頻段和5.2/5.8-GHz WLAN頻段,天線的實測增益分別高于2.7 dBi和3.3 dBi．由圖9可知,在2.4-GHz WLAN頻段和5.2/5.8-GHz WLAN頻段,天線的實測效率分別高于53%和65%．八個天線單元增益和效率的不同是由于各個天線單元所處位置的不同造成的．

3.3包絡相關系數

包絡相關系數(Envelop Correlation Coefficient, ECC)表征兩個天線單元接收信號的相關性,是評價一個多天線系統分集性能的指標．基于文獻[17]的計算方法,根據天線樣品實測三維輻射方向圖數據計算得到該天線樣品的分集性能,如表2所示．由于天線結構的對稱性,僅給出ρ12、ρ13、ρ14、ρ15、ρ16、ρ17、ρ18、ρ23、ρ24、ρ25、ρ26、ρ27、ρ34、ρ35、ρ36和ρ45．在表2中,ρij表示天線單元i和天線單元j的相關系數,Γ是入射波的交叉極化率(垂直的功率密度與水平的功率密度之比),假設Γ為0 dB(典型室內環境)或6 dB(典型市區環境)．由表2可知,八天線系統的八個天線單元之間的包絡相關系數非常小(全部小于0.0245),滿足MIMO系統的應用需求．

圖7　天線樣品在不同頻率的輻射方向圖測試結果

(a) 2.4-GHz WLAN頻段的增益

(b) 5.2/5.8-GHz WLAN頻段的增益 圖8　天線樣品的增益測試結果

(a) 2.4-GHz WLAN頻段的效率

(b) 5.2/5.8-GHz WLAN頻段的效率 圖9　天線樣品的效率測試結果

頻率/GHz2.4425.255.8Γ/dB060606包絡相關系數(10-4)ρ1210.64.510.6244.315.527.21ρ1333.61010.032.206.383.10ρ140.743.871.486.755.600.97ρ157.7824.40.881.817.154.52ρ160.053.102.091.280.161.08ρ176.284.7921.914.211.97.96ρ184.9310.812.211.835.475ρ2310961.472.863.80.451.09ρ2486.247.283.638.176.621.2ρ2568.431.80.214.520.776.36ρ2621.931.94.622.4411.514.9ρ272.221.403.242.144.112.68ρ3456.44.784.3341.92.9910.1ρ359.2425.83.733.851.325.48ρ362.721.254.705.264.051.57ρ451222453.111.3950.672.0

4結論

提出了一種應用于筆記本電腦的雙頻段八天線系統．天線樣品在2.4/5.2/5.8-GHz WLAN頻段內具有較好的阻抗匹配和較低的互耦．實驗結果表明該八天線系統具有良好的輻射性能和較好的分集性能．

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郭琳(1978-)，男，河北人，北京郵電大學電子工程學院電子科學與技術專業博士研究生，工業和信息化部電信研究院高級工程師，主要研究方向為天線、電磁場、微波技術、電磁兼容及測試技術.

王巖(1989-)，男，安徽人，清華大學電子工程系博士研究生，主要研究方向為移動終端多天線和基站雙極化天線.

杜正偉(1971-)，男，四川人，清華大學電子工程系教授，博士生導師，主要研究方向為小天線與電波傳播、微波電路、電磁兼容及計算電磁學等.

高攸綱(1928-)，男，江蘇人，北京郵電大學教授，博士生導師，聯合國國際信息科學院院士，主要研究方向為環境電磁學、電磁兼容及電磁場數值計算.

石丹(1981-)，女，四川人，北京郵電大學副教授，主要研究方向為電磁兼容設計及數值計算.

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