一款用于翻盖手机中的四单元天线系统

王 煊 杜正伟

(清华大学电子工程系微波与数字通信国家重点实验室， 清华信息科学与技术国家实验室(筹)，北京 100084)

1.引 言

在基站和移动终端中都采用多输入多输出天线的MIMO(Multiple Input Multiple Output)技术，由于其可提高传输速率和改善传输质量的能力而被认为是下一代移动通信的关键技术[1]。但受到移动终端尺寸的限制，在移动终端中设计具有低互耦及高效率的多个天线单元是十分困难的。在现代无线通信中，为了实现多功能，通常需要所使用的天线具有宽频或者多频带的性能。因此，在移动终端中设计宽频或者多频段的多天线系统依然是一个巨大的挑战。

在现有的文献中，大多数的MIMO天线设计都是两个天线单元的情况。只有很少的论文中给出了四单元天线设计的实例[2-4]。文献[2]给出了一款用于便携MIMO设备中的四单元天线设计，但是该天线单元只能工作在2.4 GHz WLAN频段。文献[3]给出了一款超宽带的四单元天线设计，它的工作频带从2 GHz到6 GHz。但是该天线的尺寸太大，并不适合于移动终端。文献[4]给出了一款支持选择功能的四单元天线的设计方案，但是这款天线只能覆盖UMTS频段，并不能覆盖2.4 GHz WLAN频段。

本文提出了一款用于翻盖手机中的四单元天线，它能够覆盖UMTS(1920～2170 MHz)和2.4 GHz WLAN(2400～2484 MHz)两个工作频段。其 -10 dB 阻抗带宽从1870 MHz 到2560 MHz.在整个工作频带内，天线单元之间的互耦均不超过-10 dB.本文的第二部分，给出了天线的结构及具体的尺寸。第三部分通过参数分析研究了天线的性能；在这部分，也给出了天线原型的实测结果，包括天线的回波损耗、天线单元之间的互耦，以及天线单元的辐射方向图。

2.天线结构

所提出的天线的结构及具体尺寸见图1，这款四单元天线系统的正面和背面见图1(b)～图1(e)。该天线印刷在两块尺寸相同的FR4介质板上。每块介质板的尺寸均为99 mm×54 mm×0.8 mm.介电常数均为4.4.介质板被认为是翻盖手机中的电路板。如图1(a)所示，地板1和地板2分别被认为是翻盖手机中盖子部分及键盘部分的地板平面。这两部分互相平行，通过一个8 mm×6 mm的金属片进行连接。这样，该天线系统中的四个天线单元就能够有一个共同的地平面。

如图1(c)所示，地板1由两部分组成：一部分是一块长84 mm，宽54 mm的矩形主地板平面，另一部分是一块带有弯折线的十字形地支结构，该地支结构的总高度为15 mm，如图1(e)所示。地板2有着和地板1相同的结构，但是其具体尺寸略有不同。地板2中的矩形主地板平面长89 mm，故而地板2中的十字形地支的高度只有10 mm.这款天线中引入的十字形地支结构不仅能够拓展天线单元的阻抗带宽，而且能够减小天线单元之间的互耦。地支结构对天线性能影响的具体讨论见本文的第三部分。天线系统中使用的四个天线单元均为简单的倒L形单极子天线，每一个单极子天线均由50 Ω微带线直接进行馈电。其中，天线单元1和天线单元2直接印刷在介质板的正面，天线单元3和天线单元4是三维结构的天线单元。这两个天线单元超出主地板平面的部分沿着图1(d)中的虚线向两块主地板之间的缝隙处弯折，这样放置天线单元可以进一步减小天线单元的尺寸。所有的四个天线单元都有相似或者对称的结构，以实现四个天线单元的功率平衡。天线系统的具体尺寸见图1.

(a) 天线三维结构图

(b) 天线单元1和天线单元2全视图(黑色、灰色分别表示介质板正面和背面的金属部分)

(c) 天线单元1和天线单元2的地支结构

(d) 天线单元3和天线单元4全视图(黑色、灰色分别表示介质板正面和背面的金属部分)

(e) 天线单元3和天线单元4的地支结构图1 天线结构(单位：mm)

3.参数分析及天线性能

为了得到更好的天线性能，我们做了大量的仿真研究，对天线的尺寸进行了优化。在本文中，所有的仿真结果都是通过高频仿真软件HFSS得到的。由天线结构的对称性和互易原理可知，该天线系统的S参数满足以下关系：S11=S22，S33=S44，S12=S21，S34=S43，S13=S31=S24=S42，S14=S41=S23=S32.在参数分析的过程中，当某个参数变化时，其他的参数取图1中所示的值。

图2 有短铜条和没有短铜条两种情况下天线单元1和天线单元2(S11=S22)的带宽变化

图1(c)和图1(d)中的短铜条对该天线系统的性能影响很大。图2给出了有短铜条和没有短铜条两种情况下天线单元1和天线单元2(S11=S22)的阻抗带宽的变化情况。从图中可以看出，地支结构上加入短铜条会使得天线的整个工作频段向低频端移动。天线单元3和天线单元4在有短铜条和没有短铜条两种情况下的带宽变化情况也与之类似。因此，为了使得设计的天线系统覆盖UMTS频段，在地支结构中加入短铜条是必要的。

天线系统中使用的十字形地支结构不仅能够拓展天线单元的阻抗带宽，而且能够降低天线单元之间的互耦。十字形地支结构中最重要地影响天线性能的参数是d1，h1，d2和h2，这些参数标示在图1(c)和图1(e)中。图3给出了天线单元3和天线单元4(S33=S44)的阻抗带宽随d2的变化情况，图4给出了天线单元3和天线单元4之间的互耦随d2的变化情况。从图中可以看出，随着d2的增大，天线单元的-10 dB阻抗带宽会减小。但是，d2越大，天线单元之间的互耦越小。因此，在选择参数d2时，需要在天线的带宽和互耦之间取一个折衷。图5中所示为天线单元3和天线单元4(S33=S44)的带宽随h2的变化情况。由图可知，h2增大会减小天线单元的阻抗带宽。图6给出了参数h2对天线单元3和天线单元4之间互耦的影响。h2越大，越有助于减小两天线单元之间的互耦。因此，同d2的选择类似，h2的选择也存在着在带宽和互耦之间取折衷的问题。参数d1和h1对于天线单元1和天线单元2性能的影响情况与上述d2和h2对天线单元3和天线单元4的影响类似。在这款天线的设计中，合理选择d1、h1、d2和h2的参数值成为优化天线性能的一个关键问题。

图3 天线单元3和天线单元4的带宽(S33=S44)随d2的变化情况

图4 天线单元3和天线单元4的互耦随d2的变化情况

图5 天线单元3和天线单元4的带宽(S33=S44)随h2的变化情况

综合考虑了天线系统的带宽和互耦之后，选择一组参数值(d1、h1、d2、h2)=(10 mm、1 mm、8 mm、2 mm)作为该天线系统的最终尺寸。为了验证仿真结果，作者制作了一款该天线系统的天线原型并对其性能进行了测量。实测的天线带宽情况见图7，实测的天线单元之间的互耦情况如图8所示。从图中可以看到，该天线系统公共的-10 dB阻抗带宽从1870 MHz到2560 MHz，覆盖了UMTS和2.4 GHz WLAN两个频段。而在工作频带范围内的天线单元之间的互耦均不超过-10 dB.

除了S参数，作者还在微波暗室中测量了该天线系统在2050 MHz和2450 MHz两个频点的远场辐射方向图。图9给出了四个天线单元2050 MHz时在三个正交平面内(x-y平面、x-z平面和y-z平面)的增益方向图。从图中可以看出，这四个天线单元的方向图在空间中具有互补的特性，尤其是在x-y平面和y-z平面内。这样的性质有助于获得方向图分集增益。2450 MHz时的方向图与图9类似，为简洁起见，这里没有画出。

图6 天线单元3和天线单元4的互耦随h2的变化情况

图7 天线系统的实测带宽情况

图8 天线系统的实测互耦情况

(a) x-y平面

(b) x-z平面

(c) x-z平面图9 四单元天线系统在2050 MHz时的实测增益方向图

包络相关系数ρe和平均有效增益MEG是MIMO/分集天线系统的重要参数。由文献[5]中定义的无线传播环境和文献[6]中提供的计算方法，这两个参数可以由实测的辐射方向图计算得到。计算结果见表1。表中的参数Г是入射场的交叉极化分辨率(垂直极化与水平极化的功率密度之比)。在本文中，取Г为0 dB和6 dB，分别代表了室内和城区环境中的典型值[7]。从表中的计算结果可以看出：这款四单元天线系统满足对于分集天线的性能要求，即ρeij<0.5和Pi≈Pj(|MEGi-MEGj|<3 dB；i，j=1，2，3，4；i≠j)[7]。该结果表明：这款四单元天线系统能够提供很好的分集性能。

表1 四单元天线系统的包络相关系数ρe和平均有效增益MEG

注：MEG：平均有效增益

4.结 论

本文给出了一款用于翻盖手机中的四单元天线设计。它四个天线单元公共的-10 dB阻抗带宽从1870 MHz到2560 MHz，覆盖了UMTS和2.4 GHz WLAN两个工作频段。在整个工作频段内，天线单元之间的互耦最大不超过-10 dB.文中还讨论了一些重要结构参数对天线性能的影响。计算得到的包络相关系数和平均有效增益结果证明该天线系统能够提供很好的分集增益。

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