0 引言

    MIMO無線通信技術是指在發(fā)射端和接收端使用多個發(fā)射天線和接收天線進行信號的傳輸和接收，改善整體通信質量^[1]。目前，MIMO系統(tǒng)在4G通信中應用已經十分成熟，并且MIMO技術是下一代5G通信發(fā)展的關鍵技術^[2]。5G通信頻段主要分為Sub-6 GHz和高頻毫米波。Sub-6 GHz測試頻段為2.5 GHz～2.675 GHz、3.4 GHz～3.8 GHz和4.8 GHz～4.9 GHz。國內5G正處于測試當中，電信運營商測試頻段為3.4 GHz～3.5 GHz，聯(lián)通運營商測試頻段3.5 GHz～3.6 GHz^[3]。

    MIMO天線主要測試指標為耦合隔離度、工作頻段、輻射效率、天線增益和SAR等。本文設計天線具有輻射全向性和良好的輻射效率。目前5G天線設計相關文獻(如文獻[4]、文獻[5]和文獻[6]等)都沒有對天線隔離度和凈空區(qū)域進行有效的設計和分析。本文在此基礎上合理留出凈空區(qū)域，并且設計圓形開槽結構可以有效地降低天線與電子元器件耦合。天線在實際加工中更加靈活，可采用電印刷技術、刻蝕技術和LDS技術加工等^[7]。

1 MIMO天線單元的設計

    MIMO天線輻射單元加工和測試是十分重要的。每個輻射單元具有良好的輻射特性，MIMO天線才會具有一個良好的輻射性能和輻射效率。本文天線輻射單元的介質板選用FR-4基板，介電常數(shù)為4.4。天線介質基板尺寸為30 mm×30 mm×1.5 mm。天線鍍銅的厚度為0.1 mm，天線底部為環(huán)形開槽結構，開槽縫隙為0.5 mm。天線正面為微帶線結構和圓形開槽結構。通過50 Ω SMA接頭對天線進行連接。圖1為天線輻射單元仿真結構圖，表1為天線尺寸參數(shù)。本文應用軟件HFSS來進行仿真，相比于其他的仿真軟件(如CST、FEKO、FDTD和XFDTD等)，HFSS對于小尺寸窄帶天線仿真更加準確。 

    天線模型進行實際測試加工，加工方案采用電印刷方式，圖2為天線加工實物圖。

    天線單元通過網絡分析儀測量S11(回波損耗)參數(shù)，圖3為測量天線S11參數(shù)和仿真S11參數(shù)對比圖。S11<-10 dB阻抗帶寬，工作頻段為3.43 GHz～3.86 GHz。S11<-6 dB阻抗帶寬，工作頻段為3.29 GHz～4.06 GHz。工作頻段帶寬滿足設計指標要求。

    通過暗室測試其方向圖，并判斷其輻射特性是否為全向性天線^[8]。圖4為天線在3.55 GHz頻率下的測量方向圖和仿真圖對比。

    從仿真結果和測量結果來看，測量結果沒有發(fā)生畸變，在E面輻射呈啞鈴型分布，覆蓋到天線整個單元介質基板。H面為全向輻射特性。整體天線輻射單元呈現(xiàn)了良好的輻射特性，滿足MIMO天線對天線輻射單元設計的需求。天線輻射效率是衡量天線是否可用的重要指標，在測試天線輻射效率中天線測量一般分為外置測試和內置測試。外置測試一般要求輻射效率達到55%～85%左右，內部測試要求達到20%～55%左右。圖5為天線輻射單元輻射效率測試圖。

    通過暗室進行測量，外置測試條件下天線最高輻射效率能達到70.8%，最低為57.6%。本文設計天線單元的輻射效率滿足工程應用指標。天線單元具有良好的輻射特性。

2 MIMO天線仿真加工設計

    MIMO天線有諸多優(yōu)點，但是需要天線具有良好的隔離度，設計時應該注意天線插入損耗和相關包絡系數(shù)等指標。相關包絡系數(shù)(Envelop Correlation Coefficient，ECC)代表不同的天線單元間接收信號幅度之間的相關性，是衡量MIMO多天線系統(tǒng)分集性能和耦合性能的參數(shù)指標。對于MIMO手機天線，要求ECC在主天線低頻段小于0.5，在高頻段要小于0.4。該值越小代表的分集增益越大。近幾年來出現(xiàn)了很多種計算相關系數(shù)的方法^[9]，利用天線電路中所測得的S參數(shù)來計算其ECC^[10]，如式(1)所示：

    圖7為MIMO天線加工圖，天線加工采用了電印刷方式進行處理，表面采用抗氧化處理。

    天線PCB板厚度為1.5 mm，天線輻射單元坐落在天線PCB板4個角落。通過暗室測量天線回波損耗和各個端口的插入損耗，圖8為天線仿真和測量回波損耗圖。

    測量天線工作頻段在回波損耗小于-10 dB阻抗帶寬條件下，天線工作頻段為3.45 GHz～3.64 GHz。在回撥損耗小于-6 dB阻抗帶寬條件下，天線工作頻段為3.23 GHz～

3.96 GHz。仿真天線和實際測量天線出現(xiàn)帶寬誤差。天線仿真和實際測量進行對比，發(fā)現(xiàn)實際測量中心頻段和仿真天線中心頻段略有偏差，測量天線的工作頻段阻抗帶寬小于仿真阻抗帶寬。圖9為天線仿真和測量插入損耗圖。

    仿真和實際測量結果大體一致，天線端口之間隔離度良好。實際測量插入損耗小于-10 dB阻抗帶寬，滿足天線工程應用的指標要求。圖10為仿真計算和測量結果計算包絡相關系數(shù)圖。

    仿真計算得到的ECC與實際測量計算得到的ECC相近，其測量計算得到的ECC小于0.2。本文設計的天線有良好的隔離度。手機傳輸過程中有上下行頻段，測量時選擇兩個測試頻點對天線進行方向圖測量，圖11測試頻點為3.45 GHz，圖12測試頻點為3.55 GHz 。

    測量天線E面和H面與仿真平面方向圖進行對比，天線在3.45 GHz和3.55 GHz處E面和H面均呈現(xiàn)全向性；方向圖沒有發(fā)生畸變，具有良好的輻射特性和全向性。圖13為天線測量輻射效率圖。

    MIMO天線的輻射效率在65%～73.4%之間，相比于測試天線輻射單元，天線輻射效率提高了3%～8%左右。本文設計的4單元MIMO天線輻射效率在實際工程中滿足應用條件的需求。

3 天線對人體輻射吸收(SAR)的分析

    現(xiàn)代人們越來越關注電子產品對人體的影響，一些實驗已表明電磁輻射對人體具有潛在的影響^[11]。目前在歐美日等發(fā)達國家，手機輻射問題受到公眾的關注，不同的國家對手機電磁輻射安全標準的規(guī)定有所不同。1997年，美國FCC公布了手機電磁安全評價標準，規(guī)定的SAR值為1.6 W/kg。從1999年2月1日起，歐洲開始實行手機電磁輻射防護，標準SAR值為2.0 W/kg。本文應用XFDTD7.3版本，對人體頭部電磁學SAR進行仿真，圖14為人體和天線建模仿真圖。

    仿真天線在人體頭部左側距離3.5 mm左右的位置。XFDTD提供的人體模型擁有人體頭部上半部分器官，軟件內部模型提供器官、血液、骨骼等較多的仿真模型。圖15為人體吸收電磁仿真情況。

    通過XFDTD軟件分析，天線主要輻射在左側腦部、臉頰和耳部。表2為仿真人體各個部分吸收情況。其中N78頻段為3.3～4.2 GHz頻段。

    從表2 SAR吸收比率可以看出，天線輻射最高為1.572 W/kg。天線整體輻射小于1.6 W/kg標準，滿足天線在人體輻射SAR設計中的需求。

4 結論

    本文提出了一種面向5G高隔離度4單元MIMO天線，天線工作在5G測試頻段。全向性的輻射滿足手機天線設計要求。天線留出凈空區(qū)，設計的圓形開槽結構擁有更好的隔離度，防止天線結構和射頻電路、手機元器件耦合，天線輻射效率良好。通過仿真分析SAR吸收比率，結果顯示吸收值小于標準(1.6 W/kg)。本文設計的天線可給未來5G天線設計研發(fā)提供一定的設計參考。

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作者信息:

周  凱1，王睿喬1，趙志恒2

(1.哈爾濱工程大學 信息與通信學院，黑龍江 哈爾濱150001；2.中國科學院光電研究院，北京100004)