用于5G通信的移动终端十二端口MIMO天线设计

程铋峪 纪 明

（1.南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京 210044；2.安徽邮电职业技术学院 通信工程系，安徽 合肥 230031；3.中国电信股份有限公司南京江北新区分公司 政企部，江苏 南京 210044）

0 引言

5G通信系统中由于软硬件技术趋于成熟，在终端上使用类型多样的软件已是常态，随之而来的便是如何在用户终端上进一步提高数据吞吐率真正实现从基站侧到终端侧高速数据链路的对接，此外还需要考虑到终端耗能的问题，MIMO技术的出现正好可以很好的解决以上两大问题，通过使用该技术既可以提高通信系统的信道容量，显著提高终端设备的数据吞吐率而又不需要增加额外的发射功率，因此MIMO技术作为5G通信领域关键技术之一将会应用至商用的5G通信系统中去。早在2015年世界无线电大会（WRC-15）已经确定将3300～3600 MHz频谱资源重新分配给下一代移动通信网络使用[1]，而在2017年我国工信部正式发布关于第五代移动通信系统频谱使用的通知[2]，通知规定了将3300～3600 MHz及4800～5000 MHz纳入我国5G通信系统的使用范围。而早在2017年2月，华为技术公司完成了C频段3500 MHz系统的小型化5G终端的外场测试[3]，通过使用MIMO天线技术使得该测试终端下行吞吐率可以达到5 Gbps的速度，同时也证实了使用MIMO技术可以很好的改善终端的功耗。然而对于终端天线来说一味的增加天线数量，这给天线系统的设计工作带来了巨大的挑战[4]，一方面是由于终端设备预留给天线设计的空间越来越少，同时随着天线数量的增加，天线与天线之间的耦合互相影响，这将会导致天线端口间信号相关度提升，因此，对于MIMO天线的设计而言，应该使得在尽可能小的给定空间内设计出较宽频带的天线，同时也需使得MIMO系统天线与天线之间的耦合尽可能的小。由于5G通信系统商用在即，因此MIMO天线的设计得到了众多学者的关注，其中多以四端口与八端口天线居多。在文献[5]中，作者提出了一款四端口MIMO终端天线，由于天线单元的尺寸较大15 mm*15 mm*5 mm，因此该MIMO系统主要是用于GSM与LTE系统中去。在文献[6]中，作者设计了一款四端口MIMO终端天线，然而该天线单元仅在-6dB阻抗匹配的标准下覆盖3400～3600 MHz频段。在文献[7]中，一款八端口天线系统被提出，作者采用了两组不同类型的天线来覆盖所需频段，其中一组共计四个天线单元采用的是L型结构，而另外一组共计四个天线单元采用的是立体C字型结构，且位于PCB基板长边的两侧位置，值得注意的是作者希望通过该八端口MIMO天线系统的设计来验证其在2550～2650 MHz频段的覆盖能力。在文献[8]中，同样提出了一款八端口天线系统，天线单元采用的是环形结构，并采用耦合馈电的方式给天线单元馈电，作者同样亦在验证该八端口天线系统在2600 MHz系统中的工作能力。在文献[9]中，作者对所设计的八端口天线间的隔离度进行了优化，通过使用互补型谐振环使得该系统在覆盖频段内具有较高的隔离度。

图1 MIMO系统整体结构示意图

因此，提出一款应用于5G通信系统的十二端口MIMO天线，该天线可以很好的克服上述文献的不足，所提出的天线系统在-10 dB阻抗标准下满足了高于300 MHz的带宽，且覆盖工信部发下通知中的3300～3600 MHz以及4800～5000 MHz的 5G系统频段。另外该MIMO天线系统由于采用立体倒F结构[10-11]和倒F天线结构，不会过多的占用移动终端内部空间资源，继而可以为终端在电路组件的设计上提供便捷，同时该MIMO天线系统的实用性与可实现性也在文献[12]中得以证实。

1 天线设计

如图1所示，给出了该MIMO天线系统整体示意图。十二个天线单元分别放置于天线介质基板的两条长边上，该介质基板采用相对介电常数4.4，电损耗正切为0.02的FR4耐高温玻璃纤维环氧树脂板，其大小为136 mm*68.8 mm*1 mm。沿基板长边放置的天线单元关于yoz面完全对称，其中位于基板顶角四个结构及尺寸相同的立体倒F天线记为1#—4#天线单元，用于覆盖3300～3600 MHz频段；而在基板侧面放置的四个倒F天线标记为5#—8#天线单元，该倒F天线的水平辐射单元长度为15.8 mm，高度为4 mm，同样也是覆盖3300～3600 MHz频段；最后四个为9#—12#立体倒F天线，放置于基板长边中间位置，该天线主要是用于补充覆盖5G通信系统中的4800～5000 MHz频段。介质基板的下表面为该十二端口天线系统的平面地，并在该天线系统平面地的两个短边上分别开了17 mm*1 mm的槽以便更好的提高天线与天线之间的隔离度。

图2 立体倒F天线枝节展开图

如图2（a）所示，为该MIMO系统的1#天线单元辐射枝节的展开示意图，2—4#天线单元与1#天线单元相同，该天线辐射枝节通过折叠的方式贴附在FR4介质支撑上面，该FR4支撑大小为5 mm*5 mm*3 mm，从1#天线单元枝节展开图可以看到该天线主要是由两条电流路径构成：其一是贴附于FR4支撑上表面顶部的辐射枝节1记为strip1，其二为沿FR4支撑前表面、左侧表面与后侧表面折叠贴附的辐射枝节2记为strip2构成。图2（b）给出了该MIMO系统10#天线单元辐射枝节展开图，另外9#、11#与12#单元于10#单元结构相同，如图10#天线单元的辐射枝节折叠贴附于5 mm*5 mm*2 mm的FR4立体支撑上，由于该天线单元是为了补充覆盖4900 MHz的5G频带，因此对于该天线单元只需要一条电流路径即可实现4900 MHz频带的覆盖，而该天线唯一的辐射枝节贴附于FR4支撑的前表面与左侧表面上。

如上图所示，将1#天线单元辐射枝节1的末端长度标记为a1，同时将1#天线单元辐射枝节2的最末端长度标记为a2，并对a1及a2进行参数分析。图3（a）可以明显看出随着1#单元末端长度a1的增长，其谐振点逐渐向更低的频点偏移；而图3（b）可以看出1#天线的另外一个辐射枝节的末端长度a2对该天线单元的阻抗匹配产生了重要影响，在a2长度优化不合理的情况下，1#天线单元将无法完整的覆盖3300～3600 MHz的频带，因此通过a1及a2的分析表明：1#天线在两条电流路径共同作用下可以产生超过300 MHz的所需带宽。

将10#天线单元唯一辐射枝节的末端长度标记为b，对其进行参数分析，如图3（c）所示，可以看到黑色曲线即为b=2.4 mm时候10#天线单元的反射系数，其谐振点落在4900 MHz处，随着参数b的增加或减少对应的谐振点也将分别向低频或高频段移动。

另外图3（d）对5#倒F天线单元的水平辐射枝节长度c也进行了分析，5#天线单元水平辐射枝节长度与垂直辐射枝节长度（天线的高度）合起来约是空气介质中3450 MHz频段波长的四分之一。

为了进一步解释该MIMO系统中各天线单元辐射枝节的作用，图4给出的便是1#单元、10#单元以及5#单元在谐振点处的表面电流分布图。图4（a）可以看出1#天线单元在3450 MHz处存在两条电流路径：其一位于顶端位置的表面电流起到了调节天线谐振点的作用，其二是位于FR4立方体支撑三个侧面的表面电流，该路径末端表面电流的强度已经减弱，但仍然起到调节天线阻抗匹配的作用。因此，在该两条电流路径共同作用下使得天线有着300 MHz的阻抗带宽。图4（b）则是10#单元在4900 MHz谐振点处的表面电流，从电流路径的分布来看其路径的总长度约是4900 MHz介质波长的四分之一。图4（c）所示，5#倒F天线单元的表面电流路径，该单元水平辐射单元的长度为15.8 mm，垂直辐射单元的高度为4 mm，因此两个长度的总和约是该天线在自由空间环境中4900 MHz的四分之一波长的长度。

图3 MIMO系统天线单元参数分析

图4 MIMO系统天线单元表面电流分布

2 结果与讨论

如图5所示，给出了该MIMO系统中各天线单元的反射系数，图5（a）所示为1—4#天线单元的反射系数，可知在-10 dB匹配标准下该组天线能够覆盖3300～3600 MHz，同时若在-6 dB标准下该天线可以进一步覆盖LTE band 43频带即3600～3800 MHz；图 5（b）给出的是 5—8# 天线单元的反射系数，同样该组天线在-10 dB标准下具有超过300 MHz的带宽，且该组天线的谐振点很好的落在中心频点 3450 MHz处；图 5（c）为 9—12#天线单元的反射系数，该组天线单元主要是为了补充覆盖5G通信系统中的4800～5000 MHz高频段，从图中可以看出该组天线可以覆盖4600～5180 MHz频带，已远远满足5G高频带宽的需求。

如图6所示，给出了该MIMO系统单元与单元之间的隔离度，在覆盖频带内相邻天线单元之间具有较好的隔离度，其中1#单元与5#单元在3400 MHz区间的隔离度大于12 dB，1#单元与4#单元之间的隔离度大于15 dB，5#单元与6#单元之间的隔离度大于13 dB，对于9#单元与10#单元在4900 MHz频带内的隔离度大于19 dB。

天线之间的相关系数|ρij|同样是MIMO系统中一个关键的参数，其主要是作为判断两个天线接收信号之间的相关性强弱的依据。而相关系数|ρij|可以根据天线之间的S参数计算得到[5]。图7给出了该MIMO系统各单元间的相关系数，该MIMO系统各单元间的相关系数远小于0.3。

图8给出了该MIMO系统的增益大小，其中1—4#天线单元在覆盖频带内增益范围为1.0～2.18 dBi，5—8#天线由于采用的是倒F天线结构，由于其口径面积较大，因此在同样3300～3600 MHz频段上，其增益最小也能到达3.91 dBi而最大增益可达4.20 dBi。此外9—12#单元在4800～5000 MHz覆盖频段上其增益变化范围为3.83～4.08 dBi。

图5 MIMO天线系统各单元反射系数

图6 MIMO天线系统各单元间隔离度

图7 MIMO天线系统各单元间相关系数

图8 MIMO系统各单元增益

图9 MIMO系统各单元辐射效率

图10 MIMO系统单元辐射方向图

如图9所示，该MIMO系统中1—4#单元辐射效率随着频率的增高而增高，其最低辐射效率为45%，而5—8#天线单元在3450 MHz附近辐射效率达到最高的87%。此外9—12#单元在覆盖区间内的辐射效率范围为88—92%。

图10给出了该 MIMO系统 1#、5#天线在3450 MHz频点xoz与yoz面归一化辐射方向图以及9#天线在4900 MHz频点xoz与yoz面归一化辐射方向图，可以看出该系统各天线单元可以较好的接收各方向上的来波。

3 结论

本文提出一款十二端口MIMO天线系统，该系统整体尺寸为136 mm*68.8 mm*1 mm，完全适应了当前移动终端尺寸上的规格，在-10 dB阻抗带宽标准下可以满足低频段3300～3600 MHz以及高频段 4800～5000 MHz的带宽要求，且该MIMO系统有着较高的增益以及辐射效率。因此，该MIMO天线系在5G通信的终端领域有较好的应用前景。