作者：Shiban K. Koul, Indian Institute of Technology, Delhi, India, G. S. Karthikeya, BMS College of Engineering, Bangalore, India, Ajay K. Poddar, Synergy Microwave, Paterson, N.J., and Ulrich L. Rohde, University of the Armed Forces Federal University, Munich, Germany

注：本文由DeepL翻译并经人工粗审，如有疑问可查阅原文或联系编辑

摘要：未来的智能手机将包含各种无线技术。在不同的无线频谱中运行的硬件将共存。为了实现这些多硬件收发器，紧凑型天线系统的设计必须在不明显影响单个天线电气性能的情况下进行，并符合各自的标准。它们必须能在6GHz以下和毫米波频段运行。这些系统还必须是物理上紧凑的，具有受商用智能手机高度限制的最小外形尺寸。本文介绍了几种设计方法。

今天市场上的大多数智能手机都有许多6GHz以下的天线集成在其中。这些辐射器的体积很小，辐射效率很低。天线增益不是设计时需要考虑的关键参数，因此，它们以低增益进行全向辐射。

然而，在毫米波频段工作的天线必须在不影响其外形尺寸的情况下提供高增益。此外，毫米波天线必须是阻抗匹配的宽频带，以覆盖其各自地区的现有5G频段。

虽然具有多频率功能的天线被集成在一起，但必须保持6GHz以下和毫米波天线的性能完整性。就这两个频段而言，所面临的挑战是如何在两个频段上以较小的外形尺寸完成这一任务。6GHz以下和毫米波天线之间的相互耦合必须是最小的。毫米波5G天线的前向增益必须很高，以支持无线电链路。

在这篇文章中，用实验结果说明了实现上述要求的几种设计策略。

设计限制

多倍频程载波系统的目的是为了提高每个用户分配的带宽。6GHz以下的天线系统必须与毫米波天线系统协同设计，以实现智能手机收发器的最佳功能。¹通常情况下，微波天线在6GHz以下的频率下工作，而毫米波天线在28GHz的频段下工作；具体频率取决于地区和许可机构。毫米波频段（28GHz）的载波频率是6GHz以下频段（3.5GHz）的第八次谐波。因此，在这些频段工作的天线的协同设计是具有挑战性的。^2-4

图1显示了集成在商用智能手机面板内的微波和毫米波天线的典型使用情况。6GHz以下的天线是全向辐射的，与毫米波天线的单向波束相反。毫米波天线辐射的波束必须远离用户，以便于与最近的基站建立可靠的高数据率连接。

图1 智能手机中毫米波和微波天线的典型辐射特性。

商用智能手机上的可用空间如图2所示。一款时尚智能手机的物理外形尺寸大约为8×6×0.7厘米，对于3.5GHz的6GHz以下频段来说，这相当于0.93×0.7×0.08λ。同样的物理外形尺寸对于28GHz的毫米波频段来说相当于7.44×5.6×0.65λ。⁵协同设计的或集成的天线系统必须适合移动设备的尺寸限制，而在任何一个频段都不会出现性能下降。

图2 一个典型的智能手机内可用的电气空间。

这个设计问题的最简单的解决方案是一个调谐到两个载波频率的单一天线。问题是，该天线在6GHz以下的频段运行得相当好，但在毫米波频段的增益和方向图完整性将显著恶化。因此，本文对各种多端口天线系统进行了探讨。

多端口天线系统设计实例

例1

第一个天线系统如图3所示。端口1连接到毫米波天线，而端口2连接到微波天线。本文介绍的所有设计都采用了相同的命名法。毫米波天线是在20毫米厚的罗杰斯5880衬底上制作的。它是一个整体嵌入馈电贴片天线阵列，天线单元之间有一个标准的半波长间隔。⁶辐射器与智能手机的面板保持一致，而馈电网络在正交平面内。这个角弯曲的天线表现出10%的阻抗带宽（见图4）。

图3 制作出的协同设计实例1的原型。

图4 例1的端口1的输入反射系数。

6GHz以下天线的电近距离放置并没有使毫米波天线失调。毫米波天线的单向辐射方向图显示在图5中。该天线系统在28GHz时提供接近8dBi的高增益，对用户的反向辐射最小。狭窄的波束宽度是由于嵌入式馈电贴片天线的整体馈电阵列作用所致。

图5 示例1的端口1的辐射方向图。

协同设计的生态系统内的微波天线的辐射方向图显示在图6中。这些方向图具有全向性。图案中的轻微倾斜是由于毫米波天线的系统地面的存在。工作在3.5 GHz的印刷偶极子天线由于接近地平面的电性而略有倾斜。

图6 示例1的端口2的辐射方向图。

为这种拓扑结构重新设计了微波天线，以保持其输入阻抗特性。实际位置如图7a所示。它在智能手机中占用的空间最小。与连接到端口2的微波天线相比，毫米波天线的辐射远离用户（见图7b）。

图7 例1的智能手机内的天线位置：方位（a）和辐射方向图（b）。

例2

第二种设计方法是将毫米波和微波天线正交安装，以加强端口之间的隔离。图8显示了制作好的天线组件。角部弯曲的毫米波天线阵列在非辐射边缘被截断，而不妨碍其辐射特性。微波天线是一个简单的电小、印刷单极天线，在3.5GHz谐振。这个概念可以用任何具有单向波束的毫米波天线和在6GHz以下波段工作的印刷单极天线来概括。

图8 协同设计实例2的制作原型。

例3

第三种设计方法是为两个天线采用共享的重叠地面（见图9）。一个工作在28GHz频段的高增益宽边辐射器被放置在其微波对应物之上。毫米波天线的地平面与印刷的微波单极天线是共用的。端口1的整个地平面确保了单向波束。另一方面，与端口2相关的部分地平面在整个工作波段提供全向波束。在微波和毫米波频段，端口之间的隔离度都大于20dB。图10显示了毫米波波段的相互耦合和输入反射系数。

图9 协同设计实例3的示意图。

图10 协同设计实例3的相互耦合和输入反射系数。

面板安装如图11所示。只需要一个智能手机面板，节省了集成空间。3D打印的智能手机模型与商业智能手机的尺寸相符，面板高度为7毫米。

图11 协同设计实例3的面板安装。

例4

另一种单平面设计技术是将两个天线集成在一个基底上（见图12）。宽边高增益毫米波天线在衬底的一个边缘用微带馈电。微波单极子也是用微带馈电的，在衬底的另一个边缘。在地平面上引入了一个0.1毫米的小间隙，以提高两个频段的隔离度至25分贝。图13显示了毫米波频段的输入反射系数和相互耦合情况。

图12 协同设计实例4的制作原型。

图13 协同设计实例4的相互耦合和输入反射系数。

用这种技术进行协同设计时，各组成天线的阻抗和辐射特性都没有变化。图14显示了面板模拟及其相应的三维辐射方向图。该设计符合微波和毫米波频段的辐射规范。

图14 例4中智能手机内的天线位置：方位（a）和辐射方向图（b）。

例5

最后一种方法是将高增益端射毫米波天线与微波印刷单极天线集成（见图15）。在这里，高增益的紧凑型印刷八木乌达天线在毫米波频段提供一个单向波束。带有截断地面的印刷单极天线与印刷八木天线一起被调谐。商用电话的面板安装配置和相应的三维辐射方向图显示在图16中。

图15 协同设计示例5的示意图。

图16 例5的智能手机内的天线位置：方位（a）和辐射方向图（b）。

结论

多频天线系统对于与即将推出的智能手机中的硬件收发器的兼容性至关重要。此外，在毫米波和微波频段工作的单个天线的阻抗和辐射完整性必须得到保留。本文展示了实现这些要求的几种设计方法，作为未来智能手机的潜在候选项。

参考文献

1.          T. S. Rappaport, S. Sun, R. Mayzus, H. Zhao, Y. Azar, K. Wang, G. N. Wong, J. K. Schulz, M. Samimi and F. Gutierrez, “Millimeter Wave Mobile Communications for 5G Cellular: It Will Work!,” IEEE Access, Vol. 1, May 2013, pp. 335–349.

2.          S. K. Koul and G. S. Karthikeya, Antenna Architectures for Future Wireless Devices, Springer Nature, Singapore, 2021.

3.          S. K. Koul and G. S. Karthikeya, Millimeter Wave Antennas for 5G Mobile Terminals and Base Stations, CRC Press, 2020.

4.          M. I. Magray, G. S. Karthikeya, J. H. Tarng and S. K. Koul, “Co-Design of 4G LTE and Millimeter-Wave 5G Antennas for Future Mobile Devices,” Wideband, Multiband, and Smart Antenna Systems. Signals and Communication Technology, Springer Nature, Switzerland, 2021.

5.          Y. Huo, X. Dong and W. Xu, “5G Cellular User Equipment: From Theory to Practical Hardware Design,” IEEE Access, Vol. 5, July 2017, pp. 13992–14010.

6.          G. S. Karthikeya, M. P. Abegaonkar and S. K. Koul, “CPW Fed Wideband Corner Bent Antenna for 5G Mobile Terminals,” IEEE Access, Vol. 7, January 2019, pp. 10967-10975.