一种用于手持移动终端的九频段双天线系统

王尚 杜正伟

(清华大学电子工程系,清华信息科学与技术国家实验室(筹),北京 100084)



一种用于手持移动终端的九频段双天线系统

王尚 杜正伟

(清华大学电子工程系,清华信息科学与技术国家实验室(筹),北京 100084)

提出了一种应用于手持移动终端的九频段双天线系统.该双天线系统由两个对称的天线单元、一个解耦地枝和一个浮置结构组成.构成天线单元的驱动分枝和寄生地枝共同激励起多个谐振模式.通过采用解耦地枝,降低了低频带内的互耦,改善了高频带内的阻抗匹配.通过添加浮置结构,增加了低频带和高频带的工作带宽,降低了高频带下限频率附近的互耦.实测结果表明:天线样品在低频带和高频带内的-6 dB公共阻抗带宽分别为276 MHz (692～968 MHz)和1 110 MHz (1 636～2 746 MHz),覆盖了LTE700/2300/2500,GSM850/900,DCS/PCS/UMTS和2.4-GHz WLAN频段;低频带内的互耦低于-10 dB,高频带内的互耦低于-13.7 dB.根据实测三维辐射方向图计算了双天线系统的包络相关系数、平均有效增益和分集增益计算结果表明,双天线系统具有良好的分集性能.

多输入多输出系统;多频段天线;解耦;手持移动终端

引 言

多输入多输出(Multiple-input Multiple-output,MIMO)系统通过在移动通信系统的发射端和接收端均安装多个天线,利用传播环境中的多径分量,来提高通信质量和增加系统容量[1].在针对手持移动终端进行多天线设计时,由于尺寸受限,在不采取任何解耦措施的情况下天线单元之间的互耦往往很高,这将使移动通信系统的性能严重恶化[2].随着移动通信产业的发展,手持移动终端在变得越来越轻薄美观的同时,集成了越来越多的功能,并能够兼容多种通信制式.对于能够提供无线广域网(Wireless Wide Area Network,WWAN)、无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN)和长期演进(Long Term Evolution,LTE)网络服务的手持移动终端,天线需要覆盖LTE700(704～787 MHz),GSM850(824～894 MHz),GSM900(880～960 MHz),DCS(1 710～1 880 MHz),PCS(1 850～1 990 MHz),UMTS(1 920～2 170 MHz),2.4-GHz WLAN(2 400～2 484 MHz),LTE2300(2 300～2 400 MHz)和LTE2500(2 500～2 690 MHz)频段.

由于应用于手持移动终端的多频段多天线系统面临迫切的应用需求和严峻的设计挑战,国内外学者对此开展了广泛研究.利用地枝结构来降低多天线系统的互耦是一种常用的方法[3-8]．文献[3]通过在两个弯折单极子天线单元之间采用矩形凸出地结构,设计了一种适用于LTE手持终端的双天线系统,其实测-10 dB 阻抗带宽达到50 MHz(2 570～2 620 MHz),带内互耦低于-30 dB. 文献[4]通过在两个天线单元之间采用一种末端展宽的凸出地结构,实现了一种应用于手机终端的双天线系统,其实测-6 dB阻抗带宽包括低频和高频两部分,分别为136 MHz(824～960 MHz)和980 MHz(1 710～2 690 MHz),覆盖了GSM850/900,DCS,PCS,UMTS,2.4-GHz WLAN和LTE2300/2500频段,带内互耦低于-10 dB.文献[5]通过在地板的一角引入十字形枝节,设计了一种应用于具有高精度定位导航功能的手持终端的宽带圆极化双天线系统,其实测-10 dB阻抗带宽达到600 MHz(1.1～1.7 GHz),带内互耦低于-14 dB.文献[6]通过在天线单元上开Z形槽和采用T形地枝结构设计了一种适用于手机的双天线系统,其实测-10 dB 阻抗带宽达到715 MHz(1.91～2.625 GHz),覆盖了UMTS和2.4-GHz WLAN频段,带内互耦低于-10 dB.文献[7]通过在两个背靠背的G形单极子基础上综合应用T形地枝和双倒L形地枝结构,设计一种适用于手机终端的双天线系统,其实测-10 dB阻抗带宽达到1 200 MHz(1.7～2.9 GHz),覆盖了DCS,PCS,UMTS,2.4-GHz WLAN和LTE2300/2500频段,带内互耦低于-15 dB.文献[8]通过在两个天线单元之间安置接地隔离环结构,提出了一种应用于智能手机的双天线系统,其实测-6 dB阻抗带宽包括低频和高频两部分,分别为136 MHz(824～960 MHz)和980 MHz(1 710～2 690 MHz),覆盖了GSM850/900,DCS,PCS,UMTS,2.4-GHz WLAN和LTE2300/2500频段,带内互耦低于-15 dB.在移动终端多天线系统的去耦技术中,中和线技术(neutralization line)也是一种常见的有效的技术[9-10].文献[9]提出了一种应用于WWAN/LTE智能手机的双天线系统,其实测-6 dB阻抗带宽包括低频和高频两部分,分别为136 MHz(824～960 MHz)和1 130 MHz(1 710～2 840 MHz),覆盖了GSM850/900,DCS,PCS,UMTS,2.4-GHz WLAN和LTE2300/2500频段,带内互耦低于-10 dB. 文献[10]提出了一种应用于LTE/WWAN智能手机的低互耦双天线系统,其实测-6 dB阻抗带宽为266 MHz(702～968 MHz),518 MHz(1 698～2 216 MHz)和736 MHz(2 264～3 000 MHz),覆盖了LTE700,GSM850/900,DCS,PCS,UMTS,2.4-GHz WLAN和LTE2300/2500频段,带内互耦低于-10 dB.该双天线系统通过采用电感加载的交叉中和线,有效降低了低频段和中间频段工作频带内的互耦.文献[11]利用中和技术设计了一种具有四个天线单元的双端口天线阵列,其实测-6 dB阻抗带宽包括低频和高频两部分,分别为70 MHz(0.89～0.96 GHz)和500 MHz(1.7～2.2 GHz),覆盖了GSM900、DCS、PCS和UMTS频段,带内互耦低于-30 dB.文献[12-13]对应用于手机终端的四单元天线进行了研究.然而,对于应用于手持移动终端的,能够完全覆盖LTE700/2300/2500,GSM850/900,DCS,PCS,UMTS和2.4-GHz WLAN 频段的低互耦(至少低于-10 dB)双天线系统,除文献[10]外鲜有报道.

将文献[14]提出的一种九频段平面印制天线进行适当调整,作为天线单元,综合运用解耦地枝和浮置结构进行解耦和带宽拓展,设计了一种应用于手持移动终端的能够覆盖LTE700/2300/2500,GSM850/900,DCS,PCS,UMTS和2.4-GHz WLAN频段的低互耦双天线系统.实验结果表明,该双天线系统具有良好的分集性能.

1 天线结构与设计

图1给出了双天线系统的结构及具体尺寸.如图1(a)所示,该双天线系统印制在一块主板和一块顶板上.主板和顶板均选用厚度为0.8 mm、相对介电常数为4.4、损耗角正切为0.02的环氧树脂(FR4)介质板,尺寸分别为5 mm×80 mm和 134.2 mm×80 mm.顶板垂直安置在主板的短边沿上.如图1(b)和(c)所示,双天线系统由两个镜像对称放置的天线单元、一个解耦地枝和一个浮置结构组成.天线单元包括驱动分枝和寄生地枝.驱动分枝印制在主板的正面,其结构和尺寸如图1(d)所示.寄生地枝包括内分枝和外分枝,其结构和尺寸如图1(e)所示.内分枝用来增强与驱动分枝的耦合作用.为了减小天线部分占据的主板的面积,将外分枝靠近介质板边沿的宽金属带进行弯折,并印制在顶板的外侧面上.寄生分枝的其余部分印制在主板的背面,并通过接地端与同样印制在主板背面的地板相连.地板的尺寸为120 mm×80 mm,用来模拟5.7英寸智能手机中除天线外的其他金属部分.解耦地枝和浮置解耦均相对于双天线系统的对称轴左右对称地安置在两个天线单元之间,其结构和尺寸分别如图1(f)和(g)所示.同样,为了减小占据的主板面积,将解耦地枝和浮置结构进行弯折.解耦地枝的弯折部分印制在顶板的外侧面,其余部分印制在主板的背面.浮置结构的弯折部分印制在顶板的内侧面,其余部分印制在主板的正面.双天线系统的馈线采用特征阻抗为50 Ω的半刚同轴线.如图1(c)所示,馈线的外导体焊接在地板上,中心导体通过馈电点位置的过孔与驱动分枝相连.

图1 双天线系统的结构及尺寸(单位:mm)

为了说明该双天线系统的工作机理,利用三维全波电磁仿真软件(High Frequency Structure Simulator,HFSS)对设计过程中的各个天线结构进行了仿真分析.在仿真模型设置中,对双天线系统中的一个天线单元进行激励,另一个天线单元接50 Ω匹配负载.图2给出了设计过程中的各个天线结构,并对比了各个天线结构的S参数仿真结果.由于双天线系统的对称性和互易性,S11=S22,S21=S12.由于文献[14]已经对天线单元的工作机理进行了详细阐述,本文对天线单元的驱动分枝和寄生地枝的功能不再做赘述.

图2 双天线系统演进过程中各个天线结构及其S参数仿真结果对比

为了明确所提出的双天线系统中解耦地枝和浮置结构这两个功能单元的作用,双天线结构演进过程分为三步.第一步,以文献[14]提出的天线结构为基础,进行适当调整后,镜像对称地放置在主板和顶板上,得到的双天线结构记为天线#1.天线#1在低频带和高频带内激励起多个谐振模式.低频带内天线#1的阻抗匹配良好,但互耦高达-7.6 dB.天线#1的S11在高频带内的部分频率高于-6 dB,而|S11|<-6 dB是内置多频手机天线设计中被广泛接受的用来界定天线阻抗带宽的评判标准[15-16].天线#1在高频带内的互耦低于-10 dB.第二步,在天线#1基础上增加解耦地枝,得到的双天线结构记为天线#2.对比图2(b)中天线#1与天线#2的S参数仿真结果可以发现,通过增加解耦地枝,双天线在低频带内的匹配变差,互耦降低到-10 dB附近,高频带内频率最高的两个谐振模式被拉低,高频带内的匹配变好,高频带内在下限频率附近双天线的互耦高于-10 dB.第三步,在天线#2基础上增加浮置结构,得到最终的双天线系统设计方案.通过增加浮置结构,该双天线系统的低频带宽和高频带宽均得到拓展,低频带内的互耦略有增加,高频带下限频率附近的互耦得到降低.最终实现了能够完全覆盖LTE700/2300/2500,GSM850/900,DCS,PCS,UMTS和2.4-GHz WLAN频段的低互耦双天线系统.

为了进一步说明解耦地枝和浮置结构对降低两个天线单元之间互耦的作用,图3给出了未添加解耦结构的双天线系统,即天线#1,在低频带和高频带内不同频率的表面电流分布,并与所提出的带有解耦地枝和浮置结构的双天线系统在相应频率处的表面电流分布进行了对比.图中仅对天线单元1进行激励,天线单元2接50 Ω匹配负载.通过对比各个频率处添加解耦结构前后的双天线系统的电流分布,可以发现,低频带和高频带内耦合到天线单元2的馈电端口附近的表面电流均得到有效减弱.这是由于在解耦地枝和浮置结构的共同作用下,在两个天线单元之间形成新的耦合路径.新形成的耦合与添加解耦结构前两个天线单元之间的原有耦合在天线单元2馈电端口处反向抵消,使高频带和低频带内的S21均得到降低.

图3 未添加解耦结构的双天线系统(天线#1)以及最终提出的双天线系统在不同频率的表面电流分布

2 测试结果及分析

为了对上述仿真结果进行验证,根据图1中给出的双天线系统的结构尺寸制作了天线样品.实物照片如图4所示.利用矢量网络分析仪Agilent E5071B对天线样品的S参数进行了测试.图5给出了天线样品的S参数的测试结果.天线样品在低频带内的-6 dB公共阻抗带宽为276 MHz (692～968 MHz),在高频带内的-6 dB公共阻抗带宽为1 110 MHz (1 636～2 746 MHz),覆盖了LTE700/2300/2500,GSM850/900,DCS/PCS/UMTS和2.4-GHzWLAN频段;低频带内的互耦低于-10 dB,高频带内的互耦低于-13.7 dB.

图4 双天线系统实物图

图5 天线样品的S参数测试结果

利用微波暗室ETS-Lindgren AMS-8500对天线样品的三维辐射方向图进行了测试.测试中,对其中一个天线单元进行激励,另一个天线单元端接一个50 Ω匹配负载.图6给出了低频带和高频带内的不同频率处分别对两个天线单元进行激励时的三维辐射方向图.该双天线系统在低频带内的方向图呈倾斜的偶极子方向图形式,在高频带内的方向图产生畸变,变得不规则.无论是在低频带,还是在高频带,两个天线单元的辐射方向图都基本互补,能够提供方向图分集来对抗无线传输环境中的多径衰落.

图6 天线样品在不同频率的三维辐射方向图测试结果

图7 天线样品的效率与增益的测试结果

图7给出了当两个天线单元分别被激励时天线样品的效率与增益的测试结果.天线样品在LTE700和GSM850/900频段(704～960 MHz)内的实测效率为22.4%～48.9%,实测增益为-1.7～0.5 dBi;在DCS,PCS,UMTS,2.4-GHz WLAN和LTE2300/2500频段(1 710～2 690 MHz)内的实测效率为29.2%～77.6%,实测增益为-2.2～6.1 dBi.从图7中可以看到,天线样品的实测效率和增益曲线在2 050 MHz附近存在一个凹陷点,在960 MHz 附近的效率和增益也变低.这是由于在960 MHz和2 050 MHz附近,天线部分电流抵消作用比较严重.未来将针对该问题开展深入研究.

包络相关系数、平均有效增益和分集增益是评估多天线系统分集性能的重要参数.对于双天线系统,要获得良好的分集性能,要求两个天线单元之间的包络相关系数满足ρe12<0.5,两个天线单元的平均有效增益满足|GME1/GME2|<3 dB[17].

对于包络服从瑞利分布的两路窄带信号,包络相关系数ρeij与复相关系数ρcij存在如下关系[18]

ρeij≅|ρcij|2.

(1)

式中,i和j分别对应多天线系统中的第i个和第j个天线单元.对于移动通信环境中的多径来波,假设正交极化分量不相关并且每个独立的极化分量空间不相关,则复相关系数ρcij可以利用多天线系统的远场辐射方向图和信道的统计特性通过下式计算得到[19]

(2)

其中

(3)

式中:Γ表示入射波的交叉极化率,即入射波的θ极化分量的平均功率密度与φ极化分量的平均功率密度之比,对于典型的室内环境和市区环境Γ分别为0 dB和6 dB[20];Eθ和Eφ分别表示入射波的θ极化分量和φ极化分量的复电场方向图;pθ和pφ分别表示入射波的θ极化分量和φ极化分量的角度概率密度函数; *表示对参量取复共轭.

平均有效增益GME是指天线沿多径环境中某随机路径移动中的平均接收功率与沿同一选择路径移动中到达天线的总平均入射功率之比[21].平均有效增益可以通过下式计算得到[21]

(4)

式中,Gθ和Gφ分别表示入射波的θ极化分量和φ极化分量的功率方向图.

分集增益是指在某一给定的截断概率下,多天线系统通过某种合并算法(选择合并算法、等增益合并算法或者最大比合并算法)得到的接收信号的信噪比相对于单个天线的接收信号的信噪比的改善程度.假设多天线系统接收到的各路信号在短衰落时间间隔内的平均信噪比都等于Ψ,则利用选择合并算法得到的各路信号的瞬时信噪比γ均小于某一门限信噪比x的概率可以用下式表示[22]

P(γ≤x)=(1-e-x/Ψ)N.

(5)

式中,N表示多天线系统天线单元的个数.对于双天线系统,假设x≪Ψ,则两路相关接收信号信噪比的概率密度函数为

(6)

根据实测三维辐射方向图,利用式(1)～(6)可以计算得到所提出的双天线系统的包络相关系数、平均有效增益和分集增益.计算中,假设来波各极化分量为球面均匀分布,即pθ=pφ=1/(4π),取截断概率为1%.表1中所列各种情况下,该双天线系统都表现出良好的分集性能,具有较低相关性(ρe12<0.2)、比较均衡的平均接收功率(|GME1/GME2|< 1.1 dB)以及较高的分集增益.

表1 双天线系统的分集性能

3 结 论

提出了一种应用于手持移动终端的带有解耦地枝和浮置结构的九频段双天线系统.该项工作成功实现了应用于手持移动终端的能够完全覆盖LTE700/2300/2500,GSM850/960,DCS/PCS/UMTS及2.4-GHzWLAN频段的低互耦双天线系统.实验结果表明该双天线系统具有良好的分集性能.未来工作将针对双天线系统的效率和增益的改善开展深入研究.

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A nona-band dual-antenna system for mobile handsets

WANG Shang DU Zhengwei

(TsinghuaNationalLaboratoryforInformationScienceandTechnology,DepartmentofElectronicEngineeringTsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

A nona-band dual-antenna system for mobile handset applications is proposed. The dual-antenna system consists of two symmetric antenna elements, a decoupling ground branch and a floating structure. The antenna element incorporates a driven branch and a parasitic ground branch, generating a couple of resonant modes. A decoupling ground branch is adopted to reduce the mutual coupling in the lower band and improve the impedance matching in the higher band. To enhance the bandwidth of both the lower and higher bands and reduce the mutual coupling around the lower limit frequency of the higher band, a floating structure is added. The measured results show that the-6 dB common impedance bandwidth of the fabricated antenna prototype is 276 MHz (692～968 MHz) and 1 110 MHz (1 636～2 746 MHz), covering the LTE700/2300/2500,GSM850/900,DCS/PCS/UMTS and 2.4-GHz WLAN bands, with the mutual coupling lower than -10 dB and -13.7 dB in the lower and higher bands, respectively. Based on the measured three dimensional radiation patterns, the envelop correlation co-efficient, the mean effective gain and the diversity gain are calculated. The calculated results show that a good diversity performance is achieved for the proposed dual-antenna system.

Multiple-input multiple-output systems; multiband antennas; decoupling; mobile handsets

10.13443/j.cjors. 2014100901

2014-10-09

北京市自然科学基金(4152025)； 广东省科技计划项目(2013B010401025)

TN828

A

1005-0388(2015)05-0827-07

王尚 (1987-)，男，河北人，清华大学电子工程系博士研究生.主要研究方向为移动终端宽带多频段多天线设计及多天线解耦方法研究.

杜正伟 (1971-)，男，四川人，清华大学电子工程系教授，博士生导师.主要研究方向为小天线与电波传播、微波电路、电磁兼容及计算电磁学等.

王尚, 杜正伟. 一种用于手持移动终端的九频段双天线系统[J]. 电波科学学报,2015,30(5):827-833.

WANG Shang, DU Zhengwei. A nona-band dual-antenna system for mobile handsets[J]. Chinese Journal of Radio Science,2015,30(5):827-833. (in Chinese). doi: 10.13443/j.cjors. 2014100901

联系人： 王尚 E-mail: wangshang10@mails.tsinghua.edu.cn