小型化MIMO技術的5G手機天線設計

安徽理工大學電氣與信息工程學院 張家正 尤寶林 王小虎 李 健

5G的迅速發展使得手機的5G通信需求上升，5G手機的銷售量和5G相關的應用在爆發式增長，在無線通信中，要實現電信號與電磁波相互轉換的功能，就離不開天線。所以本文設計一款適用于手機5G通信需求的天線，在迎合了手機尺寸越做越小的大前提下，也能帶來通信方面的性能需求。

第五代移動通信（Fifth－generation，5G）已全面進入商業化，以成倍提升的數據傳輸速率和零時延的用戶體驗滿足了人們對通信速度與效率的需求。因此，小型化、多頻段、超寬帶天線的設計對于移動設備的發展有著重要的意義。目前5G通信方面存在的問題是傳輸短，繞射差，天氣因素影響大各種缺點，在這里MIMO技術的引用十分有必要。根據現有關于MIMO技術有關研究的應用，本文設計了一種5G的MIMO技術的手機天線，在小型化的前提條件下實現了5G頻段的覆蓋，所以這款天線不僅有效的增加信道的傳輸容量，還有有效的壓縮了手機內部天線的空間，滿足了現行的通信環境需要天線實現的更高頻率，和更寬頻寬的要求。但是最近幾年，手機的設計逐漸偏向于金屬的加持，受到了消費者的喜愛。雖然機身加固了，卻導致天線的性能受到了很大的影響。因此需要對天線進行新的設計，這里本文提出了一種基于金屬外殼的雙頻段5G手機天線的設計方案。采用了多種技術，實現金屬外殼結構手機天線的5G頻段覆蓋。

1 天線結構設計

從基本的電磁理論出發的情況下，對天線提出可5G雙頻段通信和尺寸小型化的需求，在“Chu極限”的前提結論下，利用曲流技術，加載技術，可重構技術實現天線的小型化設計，與此同時也可以實現天線多頻段覆蓋。由于5G需要足夠的帶寬，速率和低延時，所以MIMO技術也是本天線設計的重點，由于天線本身的帶寬較小，多輸入多輸出技術可以有效的利用頻譜資源，原理是利用空域編碼把信息分成M個子流，再用M個天線發射出去，以此來實現信號收發，避免出現嚴重的多徑衰落效應。本天線以FR-4材料做為基板，在基板周圍貼有理想導體的10個天線，基板相對介電常數為4.4，損耗正切為0.02。為了以此材料模擬手機的尺寸，本文將介質板設計成長為80mm，寬為150mm，高為0.8mm的長方體，該形狀相仿于手機，圖1中給出了具體的尺寸大小。將10個5G天線模塊在介質板上對稱式放置，150mm邊上放置每邊放置3個天線，其中兩個同向放置，另一個反向180°放置。80mm上每邊放置2個天線，還在每個天線下方放置了兩個矩形的介質槽空間來用于提高天線的對外輻射，圖2給出了具體的尺寸為16.5mm×2.5mm和0.5m×0.5mm，圖1中L1為10mm，L2為5.5mm。150mm邊上的天線到另一側邊的距離分別為28.5mm，70.8mm，116mm。并且Ant9和Ant4在圖中與Ant2，Ant3，Ant7，Ant8為Y軸上的鏡像關系，Ant1和Ant5與圖中的Ant6與Ant10為X軸上的鏡像關系，這種設計可以提高天線的輻射范圍。該天線全部都應用50Ω同軸饋電方式，為了便于50Ω的SMA接頭從板內饋電，該十個天線單元的貼合面與饋電線在介質板中間穿孔輸入，這樣可以保證輸電的穩定性。本天線為L型的單極子天線，天線位置決定了隔離度，通過仿真優化后設置L長度3.5m，A端的寬度為1.5mm。天線的設計目標是實現5G的通信需求，目標覆蓋頻段為3300-3400MHz和4800-5000MHz。

圖1 天線尺寸圖

圖2 每個單元尺

2 天線的性能分析

用來描述天線工作性能的參數叫做天線電參數，是天線性能的衡量標準和尺度。比如輸入阻抗、S參數、駐波比、方向圖、增益、效率等。圖2中該天線的L處長度為3.5mm，位于A處的紅點是饋電點，饋電電纜半徑為0.2mm。本MIMO天線是由10個L型單極子天線對稱式分布，圖3是仿真出的S11參數圖，圖中測量結果基本符合目標的覆蓋頻段，在回波損耗小于-10dB時的相對帶寬約為6%(3267～3459MHz)和8%(4852～5279MHz)，5G的通信頻段為3300-3400MHz和4800-5000MHz。

圖3 S11參數

本文設計了一種面向5G的手機天線，主要運用了MIMO技術來實現多頻段和高帶寬的性能，通過仿真優化在布局上實現了減少單元間互耦的影響，增加了隔離度。在5G手機領域提供了較好的天線方案。考慮到手機內部空間的緊湊性，把天線小型化的同時，能保持較好的增益，有很高的應用價值。