一种用于笔记本电脑的双频段八天线系统

一种用于笔记本电脑的双频段八天线系统

郭琳1,2王岩3杜正伟3高攸纲2石丹2

(1.北京邮电大学电子工程学院,北京 100876;2.工业和信息化部电信研究院,北京 100191;

3.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)

摘要提出了一种应用于笔记本电脑的双频段八天线系统．该八天线系统由一个四天线系统、两个双天线系统和两个T形谐振带构成．在分析了四天线系统和两个双天线系统的耦合机理后,提出了减小耦合的方法．实测结果表明:天线样品在2.4-GHz 无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN)频段的-10 dB公共阻抗带宽为90 MHz(2.4~2.49 GHz),在5.2/5.8-GHz WLAN频段的-10 dB公共带宽为0.9 GHz(5.15~6.05 GHz),其中在5.15~5.19 GHz频段内的反射系数为-9.5～-10 dB;八个天线单元在2.4/5.2/5.8-GHz WLAN频段内的互耦均低于-15 dB;在2.4-GHz和5.2/5.8-GHz WLAN频段内的增益分别高于2.7 dBi和3.3 dBi、效率分别高于53%和65%．根据实测三维辐射方向图计算了八天线系统的包络相关系数．

关键词八天线;四天线;双天线;低互耦;笔记本电脑

中图分类号TN958.93

文献标志码A

文章编号1005-0388(2015)04-0710-08

AbstractA dual-band octa-antenna system for laptop computers is proposed. The proposed octa-antenna system consists of a quad-antenna system, two dual-antenna system, and two T-shaped resonant strips. The mutual coupling between the quad-antenna system and the two dual-antenna systems is analyzed and reduced. The measured overlapped -10 dB impedance bandwidths of the fabricated antenna are 90 MHz (2.4~2.49 GHz) and 0.9 GHz (5.15~6.05 GHz) at the 2.4-GHz and 5.2/5.8-GHz WLAN bands, respectively. The reflection coefficient is between-9.5～-10 dB within the 5.15~5.19 GHz bands. The measured mutual couplings between the eight elements are all bellow -15 dB at the 2.4/5.2/5.8-GHz WLAN bands. The measured gains are

收稿日期：2014-09-25

作者简介

Dual-band octa-antenna system for laptop computers

GUO Lin1,2WANG Yan3DU Zhengwei3GAO Yougang2SHI Dan2

(1.SchoolofElectronicEngineeringofBUPT,Beijing100876,China;

2.ChinaAcademyofTelecommunicationResearchofMIIT,Beijing100191;

3.TsinghuaNationalLaboratoryforInformationScienceandTechnology,Department

ofElectronicEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

资助项目: 国家科技重大专项(2012ZX03003002-002)； 北京市自然科学基金(4152025)； 广东省科技计划项目(2013B010401025)

联系人： 郭 琳 E-mail: guolin@emcite.com

better than 2.7/3.3 dBi with measured efficiencies higher than 53%/65% at the two bands, respectively. The envelop correlation coefficient is calculated based on the measured 3D radiation patterns.

Key words octa-antenna; quad-antenna; dual-antenna; mutual coupling; laptop computer

引言

多输入多输出(Multiple-Input and Multiple-Output, MIMO)技术在移动通信系统的基站端和移动终端分别安装多个天线,在不增加发射功率和额外频谱使用的情况下,利用无线通信信道的多径效应来增加系统容量、提高通信质量[1]．由于MIMO系统的优越性能,自MIMO技术提出以来,已经在基站端多天线系统[2]、移动终端多天线系统[3-4]和系统容量[5-6]等方面得到了广泛的关注和大量的研究．

无线认证(Wireless-Fidelity, Wi-Fi)是一种将笔记本电脑、手机等移动终端以无线方式连接到互联网的技术,是各种移动终端必备的功能之一．目前,几乎所有的笔记本电脑都具有Wi-Fi功能．为了提高数据率来满足用户的无线体验,IEEE 802.11标准已采用MIMO技术,将数据率提升到最低1 Gbps、最高7 Gbps的水平[7]．为了满足最新的IEEE 802.11标准,需要在笔记本电脑中安装多天线系统．由于笔记本电脑中留给天线安装的空间有限,设计适用于笔记本电脑的小尺寸、低互耦的多天线系统较为困难．

文献中已有适用于笔记本电脑的多天线系统的报告．文献[8-11]设计了可以工作在2.4/5.2/5.8-GHz 无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN)频段的双天线系统,分别采用寄生单元[8]、双频带状谐振器[9]、嵌入螺旋槽的突出地结构[10]以及嵌入T型槽的突出地结构[11]来减小天线单元间的耦合．由于文献[8-11]中的双天线系统具有较小的尺寸、较低的互耦以及较好的辐射性能,它们能满足实际的2×2 MIMO系统的应用需求．未来的MIMO系统需要4×4和8×8的多天线系统[12]．文献[13]验证了4×4 MIMO系统的容量在理论上是单输入单输出(Single Input and Single Output, SISO)系统的4倍．然而,有关在笔记本电脑中集成4个、6个或者8个具有低互耦的多天线系统的研究较少．文献[14]设计了一款工作在2.4/5.2/5.8-GHz WLAN频段的四天线系统,采用嵌入T形槽的突出地结构来减小天线之间的耦合．另外,文献[15]设计了一款工作在2.4-GHz WLAN频段的六天线系统．为了满足最新的IEEE 802.11标准,本文将设计一款工作在2.4 (2 400~2 484 MHz)/5.2(5 150~5 350 MHz)/5.8 (5 725~5 875 MHz)-GHz WLAN频段的八天线系统．

八天线系统可以由两个四天线系统、一个四天线系统和两个双天线系统或者四个双天线系统构成,为了利用已有设计成果并减小天线设计周期,本文将充分利用已有文献中的双天线系统和四天线系统来设计八天线系统．本文所设计的八天线系统由一个四天线系统和两个双天线系统构成,在分析天线之间的耦合机理后,通过使用T形谐振带来减小天线之间的耦合,最终设计出了一款工作在2.4/5.2/5.8-GHz WLAN频段的具有较好阻抗匹配和较低互耦的八天线系统．

1天线结构及参数

图1为所设计的八天线系统,该八天线系统由一个四天线系统、两个双天线系统以及两个T形谐振带构成,四天线系统和两个双天线系统的原型分别参考了我们已经设计的四天线系统[14]和双天线系统[11]．四天线系统[14]由两个双天线系统和一个解耦单元构成,构成四天线系统的两个双天线系统的原型也参考了我们设计的双天线系统[11]．所以,该八天线系统亦可以认为是由四个双天线(双天线1、双天线2、双天线3、双天线4)、一个解耦单元和两个T形谐振带(T形带1、T形带2)构成．为了更好地将天线安装在笔记本电脑上,四个双天线系统和解耦单元具有各自的地结构．在实验中,双天线的地和解耦单元的地均被显示器金属地覆盖(即共地)．四个双天线、解耦单元以及其地结构均印刷在相对介电常数为4.4、损耗角正切为0.02、厚度为0.8 mm的单面FR4介质板上．四个双天线位置的选择由笔记本电脑的整体布局决定,对八天线系统性能的影响可以通过对天线参数(d1和d2, 如图1 (b)所示)的优化来抵消,具体天线尺寸如图1和表1所示．显示器金属地是一块尺寸为260 mm×200 mm、厚度为0.2 mm的金属铜板,用于模拟13英寸笔记本电脑的显示器以及其他电路．

(a) 八天线系统的整体结构和尺寸

(b) 各个双天线系统的结构和尺寸

(c) 解耦单元的结构和尺寸 图1　八天线系统的结构和尺寸(单位:mm)

双天线1双天线2双天线3双天线4d10.90.60.90.9d20.90.90.60.9

双天线系统的原型为我们已经设计的一款工作在2.4/5.2/5.8-GHz频段的双天线系统[11],该双天线系统由两个天线单元和一个嵌入T型槽的突出地构成,如图1(b)所示．天线单元为由一个激励分枝和一个寄生环构成的耦合馈电环天线．寄生环主要工作在2.4-GHz WLAN频段,谐振在四分之一波长环模式．激励分枝主要工作在5.2/5.8-GHz WLAN频段,谐振在四分之一波长单极子模式．突出地以及嵌入在突出地结构中的T形槽分别用来减小两个天线单元在5.2/5.8-GHz WLAN频段和2.4-GHz WLAN频段的耦合．

四天线系统的原型为我们已经设计的一款工作在2.4/5.2/5.8-GHz频段的四天线系统[14],该四天线系统由两个双天线系统和一个解耦单元构成．由于表面波的作用,当一个双天线激励时,表面波会沿着显示器金属地传播到另一个双天线,从而造成较强的耦合．为了减小两个双天线之间的耦合,文献[14]在两个双天线之间引入一个解耦单元．该解耦单元由一个嵌入三个T形槽的突出地构成,如图1(c)所示,T形槽2、T形槽1和3别谐振在2.442 GHz、5.5 GHz,用于抑制显示器金属地上的表面波传播,从而在2.4/5.2/5.8-GHz WLAN 频段内减小两个双天线之间的耦合．

如果直接将四天线系统和两个双天线系统安装在显示器金属地上,四天线系统和两个双天线系统间将会有很强的耦合．为了减小耦合,本文在四天线系统和双天线系统之间引入两个T形谐振带,如图1(a)所示．为了更好地理解所设计的八天线系统,下一节将深入分析四天线系统和两个双天线系统之间的耦合机理和解耦方法．最后,为了测试该八天线系统,8根半钢电缆(SFT50-1)的内导体和外导体分别连接在如图1 (b)所示的A1～A8和B1～B8处．

2工作机理分析

文献[11]已详细地分析了双天线系统中两个天线单元之间的耦合机理及其解耦方法,文献[14]已详细地分析了四天线系统中两个双天线系统之间的耦合机理及其解耦方法,本文将主要分析四天线系统和两个双天线系统间的耦合机理及其解耦方法．下面,本节将首先分析四天线系统和两个双天线系统间的耦合机理,然后提出减小耦合的方法．本文中的所有仿真结果均为利用高频结构仿真软件(High Frequency Structure Simulate, HFSS)仿真得到．

2.1四天线系统和双天线系统之间的耦合机理

为了分析四天线系统和两个双天线系统间的耦合情况,图2给出了在没有两个T形谐振带时,八天线系统的S参数．由于天线结构的对称性,S11=S88、S22=S77、S33=S66、S44=S55、S12=S87、S13=S86、S14=S85、S15=S84、S16=S83、S17=S82、S23=S76、S24=S75、S25=S74、S26=S73、S34=S65、S35=S64．此外,由于S13、S14、S15、S16、S17、S18、S24、S25、S26、S27、S28、S34、S35、S36、S37、S38、S46、S47和S48都比较小,本文仅给出S11、S22、S33、S44、S12、S23、S34、S45的仿真和实测结果．

(b) 耦合系数 图2　没有T形谐振带时的仿真S参数

由图2(b)可以看出：当没有T形谐振带时,单元2和单元3在2.4-GHz WLAN频段的互耦高于-15 dB; 而单元2和单元3在5.2/5.8-GHz WLAN 频段以及其他单元在2.4/5.2/5.8-GHz WLAN 频段的互耦均低于-15 dB．根据文献[11,14]的分析,单元2和单元3之间的耦合来自表面波耦合,即当单元2(3)激励时,表面波沿着显示器金属地传播到单元3(2),从而造成较强的耦合．在5.2/5.8-GHz WLAN频段,表面波在显示器金属地的拐角处(不连续处)会有较大的辐射,因而单元2和单元3在5.2/5.8-GHz WLAN频段的耦合变弱．此外,当单元1(4)激励时,由于集成在双天线系统突出地上的T形槽可以抑制表面波的传播,S12、S34、S45都比较小．所以,对于八天线系统,单元2(7)和单元3(6)在2.4-GHz WLAN频段的耦合较强．因此,由于表面波的作用,八天线系统不能简单地由一个四天线系统和两个双天线系统组成．

2.2四天线系统和双天线系统之间的解耦方法

为了设计八天线系统,需要减小四天线系统和两个双天线系统间的耦合,即需要抑制四天线系统和两个双天线系统间的表面波．由于谐振的T形带可以抑制表面波传播[16],此处可以用来减小单元2/3(6/7)之间的耦合．本文选择T形谐振带作为解耦方法仅仅是为了验证八天线系统的设计方法,其它任何可以抑制表面波的方法(如缺陷地结构、电磁带隙结构)均可用来作为解耦方法．由于单元2和单元3仅仅在2.4-GHz WLAN频段的耦合较强,而在5.2/5.8-GHz WLAN频段的耦合较弱,T形谐振带仅需要在2.4-GHz WLAN频段抑制表面波传播．图3给出了图1所示八天线系统的仿真S参数.由图3可知,S12、S23、S34和S45在2.4/5.2/5.8-GHz WLAN频段的互耦均低于-15 dB,可见T形谐振带抑制了表面波的传播从而减小了单元间的耦合．

(a) 反射系统

(b) 耦合系数 图3　八天线系统的仿真S参数

为了深入地理解T形谐振带的工作机理,图4给出了有、无T形谐振带时,天线工作在2.442 GHz

和5.5 GHz时的表面电流分布图．图4是在天线单元2接激励源、其他天线单元接匹配负载的情况下得到的．由图4(a)和(b)可知：当没有T形谐振带时,天线单元3在2.442 GHz时感应出较强的耦合电流,而在5.5 GHz时感应的电流较弱；其他天线单元在2.442 GHz和5.5 GHz时的感应电流全部较弱,此现象与图2的S参数仿真结果一致．由图4(c)可知,T形谐振带谐振在2.442 GHz,可以抑制表面波的传播,故天线单元3上的感应电流明显减小．由图4(d)可知,T形谐振带在5.5 GHz不谐振,

(a) 2.442 GHz时的电流分布图(无T形带)

(b) 5.5 GHz时的电流分布图(无T形带)

(c) 2.442 GHz时的电流分布图(有T形带)

(d) 5.5 GHz时的电流分布图(有T形带) 图4　天线单元2激励时的电流分布图

它对表面波的影响较小,故对天线单元3上的感应电流影响较小．

3测试结果及分析

为了验证上述仿真结果,根据图1所示天线结构和参数以及表1中的参数制作了天线样品,如图5所示．利用矢量网络分析仪Agilent E5071B对天线样品的S参数进行测试,并在微波暗室ETS-Lindgren AMS-8500对天线样品的辐射性能进行了测试．

图5　天线样品照片

3.1S参数

该八天线系统的仿真和实测S参数分别如图3和图6所示,在八天线系统S参数的测试过程中,所有没有使用的端口均接50 Ω匹配负载．由图3可知:八个天线单元在2.4~2.54 GHz频段内的仿真反射系数均小于-10 dB、八个天线单元在4.6~6.54 GHz频段内的仿真反射系数均小于-10 dB,可以覆盖2.4/5.2/5.8-GHz WLAN 频段;在2.4/5.2/5.8-GHz WLAN频段内八个天线单元之间的仿真互耦均低于-15 dB．由图6可知:八个天线单元在2.4~2.49 GHz频段内的实测反射系数均小于-10 dB、天线单元4(5)在5.15~5.19 GHz频段内的实测反射系数为-9.5～-10 dB、八个天线单元(除天线单元4和5)在5.15~6.05 GHz频段内的实测反射系数均小于-10 dB,可以较好地覆盖2.4/5.2/5.8-GHz WLAN频段;在2.4/5.2/5.8-GHz WLAN频段内八个天线单元之间的实测互耦均低于-15 dB．仿真和实测的差异来自仿真软件的计算精度、天线的加工精度以及测试误差．

(a) 反射系统

(b) 耦合系统 图6　天线样品的实测S参数

3.2辐射性能

该八天线系统工作在2.442 GHz、5.25 GHz、5.8 GHz时的实测三维辐射方向图如图7所示,在辐射方向图测试过程中,所有没有使用的端口均接50 Ω匹配负载．由图7可知,八个天线单元的辐射方向图具有一定的互补性,可以提供一定的方向图分集．另外,由于八个天线单元的安装位置不同,可以提供一定的空间分集．所以,该八天线系统可以同时提供方向图分集和空间分集．

该八天线系统在2.4/5.2/5.8-GHz WLAN频段内的实测天线增益和天线效率分别如图8和图9所示．由图8可知,在2.4-GHz WLAN频段和5.2/5.8-GHz WLAN频段,天线的实测增益分别高于2.7 dBi和3.3 dBi．由图9可知,在2.4-GHz WLAN频段和5.2/5.8-GHz WLAN频段,天线的实测效率分别高于53%和65%．八个天线单元增益和效率的不同是由于各个天线单元所处位置的不同造成的．

3.3包络相关系数

包络相关系数(Envelop Correlation Coefficient, ECC)表征两个天线单元接收信号的相关性,是评价一个多天线系统分集性能的指标．基于文献[17]的计算方法,根据天线样品实测三维辐射方向图数据计算得到该天线样品的分集性能,如表2所示．由于天线结构的对称性,仅给出ρ12、ρ13、ρ14、ρ15、ρ16、ρ17、ρ18、ρ23、ρ24、ρ25、ρ26、ρ27、ρ34、ρ35、ρ36和ρ45．在表2中,ρij表示天线单元i和天线单元j的相关系数,Γ是入射波的交叉极化率(垂直的功率密度与水平的功率密度之比),假设Γ为0 dB(典型室内环境)或6 dB(典型市区环境)．由表2可知,八天线系统的八个天线单元之间的包络相关系数非常小(全部小于0.0245),满足MIMO系统的应用需求．

图7　天线样品在不同频率的辐射方向图测试结果

(a) 2.4-GHz WLAN频段的增益

(b) 5.2/5.8-GHz WLAN频段的增益 图8　天线样品的增益测试结果

(a) 2.4-GHz WLAN频段的效率

(b) 5.2/5.8-GHz WLAN频段的效率 图9　天线样品的效率测试结果

频率/GHz2.4425.255.8Γ/dB060606包络相关系数(10-4)ρ1210.64.510.6244.315.527.21ρ1333.61010.032.206.383.10ρ140.743.871.486.755.600.97ρ157.7824.40.881.817.154.52ρ160.053.102.091.280.161.08ρ176.284.7921.914.211.97.96ρ184.9310.812.211.835.475ρ2310961.472.863.80.451.09ρ2486.247.283.638.176.621.2ρ2568.431.80.214.520.776.36ρ2621.931.94.622.4411.514.9ρ272.221.403.242.144.112.68ρ3456.44.784.3341.92.9910.1ρ359.2425.83.733.851.325.48ρ362.721.254.705.264.051.57ρ451222453.111.3950.672.0

4结论

提出了一种应用于笔记本电脑的双频段八天线系统．天线样品在2.4/5.2/5.8-GHz WLAN频段内具有较好的阻抗匹配和较低的互耦．实验结果表明该八天线系统具有良好的辐射性能和较好的分集性能．

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郭琳(1978-)，男，河北人，北京邮电大学电子工程学院电子科学与技术专业博士研究生，工业和信息化部电信研究院高级工程师，主要研究方向为天线、电磁场、微波技术、电磁兼容及测试技术.

王岩(1989-)，男，安徽人，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多天线和基站双极化天线.

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.

高攸纲(1928-)，男，江苏人，北京邮电大学教授，博士生导师，联合国国际信息科学院院士，主要研究方向为环境电磁学、电磁兼容及电磁场数值计算.

石丹(1981-)，女，四川人，北京邮电大学副教授，主要研究方向为电磁兼容设计及数值计算.

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