多频段MIMO 手机陶瓷天线设计

周凯，王睿乔，赵志恒

1. 哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001

2. 中国科学院光电研究院，北京 100004

随着无线电技术的快速更新和发展，人们对其中的无线电天线技术要求也愈来愈高。MIMO 技术作为未来无线电技术的发展方向，以其能够充分利用空间资源、通过多个天线单元实现多发多收、在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下可以大幅度提高系统信道容量，而为业界所重视[1-3]。

但在实际应用中，还有一些问题亟待解决。其中，一个重要环节就是无线设备内部天线设计尺寸的小型化问题。无线设备尺寸的小型化是未来工业设计的基本要求，更多的设计都是在极小空间中来完成。因此，无线电天线尺寸只有尽可能缩小，方能跟上元器件发展的步伐。但是，尺寸的小型化绝不意味着功能的弱化，而是既要满足设备的小型化，又要满足设备的功能性，真正做到小而强。解决这个问题要从新材料和天线结构上找到突破口。

复合陶瓷材料在改变天线辐射上有过很多的应用，大多数在GPS 天线和WLAN 天线上进行工程应用[4-7]。例如用陶瓷材料RO4360 设计GPS 天线，让GPS 天线具有更宽的频带和更小的尺寸，用RO4003 设计WLAN 天线高频板，减少WLAN天线环路。但是陶瓷材料在手机天线、宽带天线和小尺寸天线设计中应用较少。本文提出双频带MIMO 天线的构想。该天线以复合陶瓷材料为基础辐射单元介质的小型馈电手机天线，没有集总元件。该天线的优点在于具有多频段和宽带特性。因为在设计上最大限度地减少了天线环路的数量，所以提供更多带宽；并且具有较小的天线体积，在PCB 板上的占用率较低，改变了电流分布区域并改善天线之间的耦合相关性。该天线频段能够覆盖GSM900、DCS1800、PCS1900 和LTE1900等频段，适合多频段移动通信网络的应用。

1 天线结构设计

1.1 辐射单元结构的设计

手机天线介质基板材料选择FR-4 环氧玻璃纤维板，其介电常数为4.4，介质板的大小为110 mm×55 mm×1.5 mm。天线辐射单元印刷时选择复合陶瓷材料作为天线辐射单元载体的材料，其相对介电常数为6.45，损耗角正切为0.001 1[8]，载体的尺寸为32.5 mm×15 mm×2.8 mm。图1 为移动手机陶瓷天线设计结构图。

图1 手机陶瓷天线的设计结构

其中天线结构尺寸为L=32.5 mm、L1=15 mm、W=17 mm、W2=9.5 mm、W3=12.5 mm、W4=9.5 mm、W5=6 mm、W6=4 mm、W7=22.5 mm、W8=1.5 mm、W9=0.5 mm、W10=9 mm、H=3 mm、H1=1.5 mm、H2=2.8 mm。其中仿真薄片的厚度为0.2 mm，单极子结构的宽度均为1.5 mm。通过50 Ω 微带线馈电给底部印刷的单极子结构，单极子结构、陶瓷结构和折叠部分构成谐振环路结构。与大多数MIMO 手机天线不同，该MIMO 天线设计的PCB在电路系统布局更加灵活实用，2 个天线辐射单元在设计过程中选择中心原点对称，馈电线连接到PCB 接地与天线金属贴片之间，可以有效地减少手机天线空间的使用。复合陶瓷材料的介电常数大于FR4 环氧玻璃纤维介质基板的介电常数，L 型金属单极子长度为22.5 mm，并且在其结构基础上新添加分支结构，旁边的分支结构使其在0.87 GHz 处产生了新的谐振。陶瓷结构外围为该天线设计的金属折叠型结构，折叠型结构不仅能够节省天线辐射单元的占用空间，而且还能有效提高天线的带宽。陶瓷介质部分可以选用在PCB 板直接电印刷，电印刷好后的PCB 板和折叠型结构进行组合加工。也可以采用激光直接成型技术来实现，因此该天线在制作工艺上具有更高的灵活性[9]。

1.2 MIMO 天线结构的设计

MIMO 天线系统性能的优劣主要是由天线单元的数量、天线的摆放方式、天线的单元间距和相互之间的耦合等因素决定，随着天线数量的增加，MIMO 系统不用增加放射功率和带宽便可提高系统信道的容量。但是MIMO 天线与传统的单天线的性能指标略有差别，需要考察其耦合系数和相关性系数等指标[10-13]。因此在设计时要考虑到天线辐射单元结构之间的相关特性，例如端口参数S21和包络相关系数（envelop correlation coefficient，ECC）等参数。

2 天线辐射单元仿真

在手机天线的设计中，分为有源测试参数和无源测试参数。无源测试指标包括频率、方向图、天线辐射效率、电流分布等，有源测试指标包括天线辐射总功率（total radiated power，TRP）和天线接收灵敏度（total isotropic sensitivity，TIS）等，这些都是衡量手机天线的重要指标。在MIMO 天线设计当中，考虑仿真得到天线每个辐射单元的参数指标是十分必要的，当MIMO 天线辐射单元具有良好的辐射特性时，MIMO 天线整体的辐射特性才能有所提高。如果辐射天线单元设计有误，则会对天线的电磁兼容特性产生影响。

天线设计要求覆盖的主要频段包括GSM850、GSM900、DCS1800、PCS1900 和LTE1900 等。本文设计的天线结构通过Ansoft HFSS 电磁仿真软件进行仿真，图2 为仿真得到每个辐射单元的回波损耗。

图2 辐射单元回波损耗

图2 展示了有陶瓷结构介质、没有陶瓷结构介质的情况下不同回波损耗参数的结果，从端口S参数来分析S11参数，一般以回波损耗|S11|＞10 dB为参考标准，根据图2 和表1 的数据显示，设计的新型陶瓷结构天线具有良好的双频段特性。低频段在0.85～1.17 GHz，高频段在1.65～2.18 GHz，其覆盖了GSM900、DCS1800、PCS1900 和LTE1900等频段。没有陶瓷介质结构的辐射单元的谐振频段为1.98～2.84 GHz，辐射单元尺寸为35 mm×19 mm×3 mm。没有陶瓷介质的天线谐振频段是1.03～1.25 GHz 和1.50～2.19 GHz。相比于没有陶瓷介质结构的天线，本文设计的陶瓷天线具有小型化的优点，在结构优化上能够减小23.5%的实际空间尺寸。

表1 不同材料和尺寸的电路谐振频段和相对带宽

表1 是根据图2 仿真数据分析得到的电路谐振频段和相对带宽，通过回波损耗得到天线传输频段。该表格列出3 种不同情况下天线结构、材料、尺寸、谐振频段和相对带宽等参数。

为了更好地了解天线的工作模式，本文选择电流密度分布来进行分析。图3 显示了陶瓷天线单个结构不同频率的电流密度分布，选择4 个相关频率来进行仿真观察。

图3 不同频率电流密度分布

从部分单独单天线结构分析，其中最长外围天线结构长度为50.5 mm，主要辐射频段为频率较高的频段。根据图3（a）、（b）可以观察低频带GSM900（855～954 MHz）的电流分布。天线电流频段在0.89 GHz 处时，电流从输入端流向单极子天线结构和折叠型结构。电流频率在0.93 GHz时，折叠结构电流密度降低，单极子分支结构的电流密度有所减弱；当频率电流为1.80 GHz 时，折叠结构和单极子天线结构电流密度比低频处的电流密度要高出许多；电流频率增至1.94 GHz时，单极子结构和折叠结构的电流密度有所加强，天线在高频处辐射较强。根据电流密度仿真图可知，在电路谐振高频处频率主要受到单极子、分支结构和折叠结构（L、W6和H）的影响，而在低频处只受到单极子W2、W3影响。手机天线相对于其他半导体天线，要求全向性，并且留出一定空间净空，尤其是手机天线的全向性是非常重要的。图4 显示天线辐射单元的仿真xoy、yoz和xoz平面方向图。

图4 辐射单元平面方向图

从仿真结构看，新设计出的陶瓷天线辐射单元分别在xoz面和yoz面辐射后瓣较小，辐射特性良好。在xoy面上，天线方向图没有发生畸变，天线辐射特性良好。满足单元天线设计需求。

3 MIMO 手机天线仿真

MIMO 天线有诸多优点，但是在实际设计中却有很多工程问题需要解决。例如天线辐射单元间相互耦合、辐射单元和射频电路之间相互耦合等问题。其中，S21和ECC 是衡量MIMO 天线耦合隔离度的重要参考指标。S21是插入损耗，S21越大表明端口传送效率越高。但是在手机天线设计中，S21越大，天线辐射单元之间会产生耦合，影响天线的辐射效率；因此在设计MIMO 手机天线时，一般要求隔离度|S21|＞10 dB 才能满足低耦合的要求。图5 是MIMO 天线辐射单元接口的S21参数，其中在最小点|S21|＞23 dB，满足射频电路和辐射单元之间耦合隔离度的要求。

图5 参数S21 曲线

ECC 代表不同的天线单元间接收信号幅度之间的相关性，是衡量MIMO 多天线系统分集性能和耦合性能的重要指标。对于MIMO 手机天线，要求ECC 在天线低频段处要小于0.5，在高频段处要小于0.4。该值越小代表的分集增益越大。近几年来出现了很多种计算相关系数的方法，很多学者利用天线电路中所测得的S参数来计算其ECC 值：

式中：Eij代表天线i和天线j的包络相关系数；Sii和Sjj为天线的回波损耗；Sij和Sji为天线不同端口的插入损耗。图6 为包络相关系数图，其中具有陶瓷介质的天线在0.75～1.2 GHz 频段的包络相关系数低于0.45，在1.75～2.2 GHz 频段的包络相关系数低于0.4，满足MIMO 手机天线隔离相关度的要求。没有陶瓷结构的手机天线在1.75～2.9 GHz频段的包络相关系数低于0.5，有陶瓷结构天线相比于没有陶瓷结构的天线在耦合隔离度上具有更优越的性能。

手机天线的全向辐射特性在手机设计中非常重要。图7 为MIMO 天线的平面方向增益图。其中xoy、yoz和xoz面都具有良好的全向性辐射特性，满足手机天线设计需求。该天线在0.89 GHz频段和0.93 GHz 频段的辐射特性相对于1.80 GHz频段和1.94 GH 频段要低。

图6 包络相关系数

图7 MIMO 天线辐射平面增益

4 实物加工测试

在实物天线加工过程中，国内大部分天线供应商都采用电印刷的方式。为了节约成本，本实验采用组合加工的方式，天线底部PCB 板选择用电印刷方式进行加工，陶瓷载体和折叠型结构应用Ausbond 电胶进行组合加工。因此在整体工艺上，会出现部分误差。图8 为天线制作实物图。

图8 天线实物加工图

测量天线网络端口参数S11和S21时，选用安捷伦E5063A 网络分析仪进行频段测试，在测试过程中分别对无源参数回波损耗（S11）和插入损耗（S21）进行测量。图9 显示了网络分析仪测量回波损耗（S11）参数后频段和仿真频段的对比，图10 显示测试的插入损耗（S21）的测量数值。由于真实加工环境是组合加工，在对折叠型结构和陶瓷结构进行加工整合过程中会出现误差，因此会对最终测量结果产生影响。可能导致频段与仿真结果产生了小幅度的偏差。

图9 回波损耗S11 测量值

图10 插入损耗S21 测量值

根据实际测量结果，S11参数在高频处频率部分偏移，其带宽变化不大；S21参数满足|S21|＞10 dB的要求。同时，通过测试得到的S11和S21参数，根据式（1）得到包络相关系数，并且与仿真数据进行比对，如图11 所示。从图11 可以看出，实际测量计算后的相关包络参数应用频段上整体小于0.5。在设计上验证了MIMO 天线隔离度的要求。

图11 包络相关系数

天线通过暗室测量天线方向图。图12、13 为天线在0.89 GHz 和1.8 GHz 处的xoy、yoz和xoz平面实测天线方向图。从实际测量的方向图看出，0.89 GHz 下的xoy面方向图与仿真图出现了稍微的偏差。因为新型陶瓷载体天线组合加工等问题，所以可能会影响到天线的辐射特性。

从测量方向图上可以看出新设计的手机陶瓷天线整体的辐射特性没有太大的波动，整体保持平稳。天线保持一个良好的全向辐射特性，基本满足天线全向性的一个要求。

图12 0.89 GHz 平面方向图

图13 1.8 GHz 平面方向图

手机天线无源参数测试中，辐射效率是衡量天线设计的一个重要指标，图14 显示了天线总辐射效率，根据天线的总辐射效率可以进一步分析天线的辐射特性。

图14 天线总辐射效率

由于在测量过程中会有馈线损耗和半封闭金属外壳等因素的影响，辐射效率维持在20%～40%。0.89～0.97 GHz 频段的天线辐射效率为21.3%～28.3%，1.71～2.20 GHz 频段的天线的辐射效率为24.3%～35.2%，天线留出净空区的条件下，满足天线的辐射效率要求。

手机天线OTA（over the air）测试能更好地衡量手机天线性能，其中最重要的2 个有源参数指标是总辐射功率和接收灵敏度。但是总接收灵敏度和总辐射功率一般用在整机测试中，因此本文主要以无源测试指标为主。

5 结论

本文提出了一种复合陶瓷结构MIMO 天线。天线覆盖多个频段，应用陶瓷结构和折叠型结构，有效地减少了天线尺寸和移动手机天线带宽展宽问题。

1）天线辐射单元具有全向特性，并且满足天线耦合隔离度的设计需求。

2）由于在半封闭金属外壳环境下，天线辐射效率在20%～40%，基本满足要求。

3）在拓宽带宽和减小天线尺寸的问题上，是否有更合适的材料是未来移动手机天线设计的一个课题。本文设计的天线可给天线设计研发者一定的设计参考。