紧凑型四MIMO手机天线结构的设计

Design of a Compact Four MIMO Handset Antenna Structure

Hyunsoo Kim、Sungtek Kahng，仁川大学，韩国仁川

本文为LTE MIMO应用设计了一个采用四天线的紧凑通信平台。它包括带同相电场分布零阶谐振器（ZOR）的一对小型MIMO天线，另一对则为MIMO芯片天线。9.0 mm×5.5 mm和12 mm×3.0 mm的发射器分别置于实际手持设备的顶部和底部边缘。设计运行于2.4 GHz LTE频段。天线增益大于1.3 dBi，所有天线的隔离度大于10 dB。

多入多出（MIMO）天线可提供在多信号环境中的RF隔离，移动通信的质量较高。在增加多天线之间隔离度的同时，设计师一直在挑战减小天线尺寸。^1-14 Mak等¹推出了一套天线，为了增加隔离度，其结构基于与虚构放大的回路断开的局部电流回路从一个天线到另一个的近场陷波。该天线的发射模式和隔离度尚可接受，但是尺寸太大；发射器和陷波器占据了手机的顶边和两个侧面。Payandehjoo等²采用EBG几何结构，通过防止天线间的耦合来增加分集增益。但是它的大小超过了工业标准，其工作频率也不在WiMAX频段。Wang等³引入了两种微带馈送的天线，其层状辐射部件垂直于手机分层接地，带有折叠的周期性蜿蜒去耦结构来改进隔离度。虽然这样提供的隔离度大于12 dB，但微带馈送单极型去耦几何结构和三维折叠发射器致使它的占地面积大。

简单的蜿蜒四分之一波发射器是与分割接地（Sharawi等⁴）或与混合耦合器（Bhatti等⁵）分开的。后者为降低耦合，发射器与基于LC的分支耦合器相连，而在Han和Choi的设计⁶中，为了更好的去耦，三维折叠的各单极共享一个缩短的环路。Yoo等¹⁴另辟途径，将一种双分层CRLH环路的非常紧凑的发射器用于微型对称形状MIMO天线。结构的总尺寸占据手机设备顶部边缘的三分之二，增益大于0 dBi，隔离度大于12 dB。

本文描述了四MIMO天线，其紧凑尺寸适用于移动手机。与双天线的方法相比，^1-13两对天线形成的密集天线结构不超出54 mm×80 mm范围。类似于Yoo等¹⁴，一对天线包含两个小发射器及其之间的去耦装置。每个发射器被设计与耦合环的同相电场分布产生谐振，占位面积不超9 mm×5.5 mm，发射峰值增益超过1 dBi。这些ZOR发射器的位置彼此接近，而去耦结构提供的隔离度却大于10 dB。另一对采用改进的单极，每个小于12 mm×3 mm。第一对天线位于平台的顶部边缘，第二对则放置在底部边缘。

CRLH ZOR天线设计

设计规格为f₀ = 2.4 GHz、回波损耗|S₁₁|≥10 dB、天线增益≥1 dBi、效率≥50%、隔离度|S_ij|≥10 dB。天线元件类似于开环谐振器（SRR），意即其内部开口环被其外环包围。然而不同于普通SRR的是，外环的一角与被耦合通过电场的上传输线（UTL）相连，另一端与附于地面的较低传输线（LTL）相连，形成复合的右手和左手（CRLH）特性。

天线元件的SRR和UTL位于2 mm厚FR4基板的上表面，基板底面设有到手机接地的馈电点、去耦结构和LTL，如图1所示。传统SRR采用右手共振，初步看来似乎不适合有效减少尺寸。因此，每个天线使用SRR作为串联电容（C_L）和部分串联电感（L_R）来实现CRLH零阶谐振。同时，在上下传输线之间耦合的电场和流动的电流分别决定并联电容（C_R）和并联电感（L_L）的一部分。此外，LTL影响L_R和C_R。调节这些因素可使SRR更小。对此进行了参数研究（见图2）。

图1 置于手持设备顶部边缘的两MIMO天线；（a）俯视图、（b）底视图、（c）安装在顶部边缘的两个天线

图2 参数扫描和ZOR的场；（a）CRLH MIMO天线回波损耗的G_d函数、（b）ZOR电场

G_w和G_d影响阻抗匹配和C_R，故对G_d变化时的回波损耗（|S₁₁|）进行了研究。G_d范围从0.5至2.0 mm，采样四个数据。按照10dB准则，如图2a所示，G_d取值2mm及以上是可接受的。这意味着，需要特定的集合并联电容C_R来保持G_d。图2b表明，在ZOR频率产生了具有单向电场矢量的同相变化现象（全部指向上部）。当ZOR条件和谐振条件符合时，得到以下几何参数：对于2mm厚的基板，εr = 4.3，损耗角正切 (tanδ) = 0.025，有A_h=5.5 mm, A_L = 27 mm, P_1 = 9 mm, G_d = 1 mm, A_p = 3.2 mm, D_w = 6.5 mm, D_h = 3 mm, M_L = 80 mm 以及 M_W = 60 mm。

为了实现大于10dB的隔离度，采用图1所示的平面改进蘑菇形去耦结构。通常，蘑菇形是三维结构，由带短路过孔的表面贴片构成，并起到带阻滤波器的作用，可以以阵列的形式进行扩展。为了这种应用，对蘑菇形进行修改以适应平面结构。对臂进行加长和两次弯曲形成分支回路，臂端与地面之间的狭窄间隙则增加了并联电容。当磁场从一个发射器传输到回路中时，蘑菇体的电容与臂内回路的较高电感形成谐振。这起到一个带阻滤波器的作用。

如图3a中所示，采用平面蘑菇体作为去耦结构，隔离度从9 dB增加到16 dB。表面电流密度绘于图3b，直观显示了增加的隔离度是如何获得的。由于受某一个激励天线的近场作用，去耦结构会吸取表面电流，起到陷波的作用；从而，元件天线之间的隔离度得以增强。

图3 加平面蘑菇前后的预测的隔离度（S₂₁）；（a）S参数、（b）顶部两MIMO天线的表面电流。

图4给出顶部两MIMO天线的发射模式。两个天线表现出相似的全向远场模式，适合于移动通信。此外，全波仿真结果得到55%的发射效率和1.2 dB的峰值增益。

图4 顶部两MIMO天线的仿真发射模式 (a)天线1、(b)天线2

CHIP天线设计

平台底部的两个天线，每个都以带2毫米厚FR-4基板的新型紧凑芯片天线为元件。本天线的指标与前面的CRLH MIMO天线是相同的。图5所示天线结构比λ/4逆F型天线（PIFA）要小。贴片附在曲折线的端部，以增加因小型化减少的发射电阻。调谐其电抗可以调整谐振频率。

图5 芯片天线结构；(a)顶部表面 (b)底部表面 (c)平台边缘的天线

图6a示出其关于贴片长度的频率响应，调整电抗得到最佳回波损耗。谐振时天线的发射效率为87%，峰值增益为1.6 dB。其几何参数为A_h2 = 3 mm, A_L2 = 12 mm, P_2 = 2.5 mm, G_d2 = 3.5 mm, C_L = 50 mm和C_W = 21 mm。图6b给出了其仿真的发射模式。

图6 (a)小型芯片天线的参数扫描 (b)仿真的发射模式

四MIMO天线设计

相比于只使用两个天线的现有MIMO架构，期望使用四MIMO天线来得到更高的数据传输速率和更高的信道容量。图7给出的四天线结构具有以下尺寸：载于2mm厚的基片，εr=4.3，损耗正切tanδ= 0.025，A_W= 60 mm, A_L= 80 mm, A_g = 32 mm。

图7 四MIMO天线的最终结构和仿真频率响应；(a)几何结构 (b)回波损耗 (c)隔离度

在图7a中，两个ZOR天线（1和2）置于手持平台顶边的中心。两个芯片天线（3和4）则靠近底部边缘的边角。它们的位置在A_W、A_L和A_g分别等于60 mm、80 mm和32 mm时最优；其它几何参数与之前的设计阶段相同。图7b是四个天线的仿真回波损耗，表明它们都在2.4 GHz发生谐振。隔离度大于10 dB（参见图7c）。

如图8所示，仿真的天线发射模式是全方向的。在天线1和2的谐振频率处，辐射效率为47%，峰值增益为1.5 dB，这表明相比于分离设计，发射效率降低约10%。天线3和4的发射效率和峰值增益分别是57%和1.7 dB。顾及有关规格，它们是可以接受的。

图8 四MIMO天线的仿真发射模式；(a)天线1和2的E-和H-平面截图 (b)天线3和4的E-和H-平面截图

测量

如图9a所示，将所制作的天线通过SMA端子连接，用于RF评估。各个天线测得的回波损耗与仿真结果稍有偏移，但四个天线在2.4 GHz表现出高于10 dB的回波损耗（见图9b）。所有天线之间的隔离度也都大于10 dB。图9c是天线1（与天线2对称）的远场模式，图9d是天线3（和天线4对称）的远场模式。四个天线的峰值增益在几乎全向远场分布上都大于1.3 dBi，适用于移动MIMO应用。

图9 制作的四MIMO天线测量结果；(a)制作的天线照片 (b)回波损耗和干扰 (c)天线1和2的E-和H-平面波束模式 (d)天线3和4的E-和H-平面波束模式

结论

专为LTE MIMO应用设计了四天线的紧凑通讯平台。为了实现手机中的更多天线数量，采用一对与ZOR同相电场分布的小型MIMO天线，以及一对改进的单极型芯片天线。发射器面积分别为9 mm×5.5 mm和12 mm×3 mm。发射器的小尺寸对能将其放置于实际手持式装置的顶部和底部边缘非常关键，可以得到较低的相关系数。它专为2.4 GHz LTE频带设计，有用的MIMO性能是大于1.3 dBi的天线增益和大于10 dB的天线间隔离度。 （车延博 译）

致谢

本项研究由仁川国立大学研究基金资助。主要作者S. Kahng在此衷心感谢AceTechnologies的K. Kahng和LG Innotek的J.G. Kim所提供的帮助。

参考文献

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Hyunsoo Kim于2014年2月获得工学学士（B.E.）学位，目前正在韩国仁川的仁川国立大学（Incheon National University）攻读工学硕士（M.E.）学位。他的研究领域是微波工程、RF元件、天线、无线功率传输和超材料。

Sungtek Kahng于2000年在韩国汉阳大学获得电子与通信工程博士学位，专业为无线电科学与工程。从2000年到2004年初，他在电子与电信研究所从事数值电磁特性方面的工作，开发卫星用射频无源器件。2004年3月，他加入仁川国立大学信息与电信工程系，在那里继续他关于微波组件和天线的分析和先进设计方法方面的研究，包括超材料技术、MIMO通信以及物联网/网络-物理系统方面的无线功率传输。