用于5G通信的移动终端十二端口MIMO天线设计

用于5G通信的移动终端十二端口MIMO天线设计

黄昌娟

深圳市华信微通信技术有限公司 

摘 要：研究提出一款紧缩型十二端口MIMO天线系统，该系统主要由8个立体倒F天线及4个倒F天线构成，其中1—4#天线及5—8#天线的阻抗带宽可以覆盖 3300~3600 MHz的5G 通信频段；而9—12# 天线主要是补充覆4800~5000 MHz的5G通信频段。该MIMO天线系统的低频段与高频段的隔离度分别高于 12 dB

和 19 dB，同时该系统在低频与高频段均具有较高的增益以及辐射效率。

关键词：5G通信；MIMO；移动终端；天线

5G通信系统中由于软硬件技术趋于成熟，在终端上使用类型多样的软件已是常态，随之而来的便是如何在用户终端上进一步提高数据吞吐率真正实现从基站侧到终端侧高速数据链 路的对接，此外还需要考虑到终端耗能的问题，MIMO技术的出现正好可以很好的解决以上两大问题，通过使用该技术既可以提高通信系统的信道容量，显著提高终端设备的数据吞吐率而又不需要增加额外的发射功率， 因此 MIMO 技术作为 5G通信领域关键技术之一将会应用至商用的 5G通信系统中去[1]。

1天线设计

如图1所示,给出了该MIMO天线系统整体示意图。十二个天线单元分别放置于天线介质基板的两条长边上,该介质基板采用相对介电常数4.4,电损耗正切为0.02的FR4耐高温玻璃纤维环氧树脂板,其大小136mm*68.8 mm*1 mm。沿基板长边放置的天线单元关于yoz面完全对称,其中位于基板顶角四个结构及尺寸相同的立体倒F天线记为1#—4#天线单元,用于覆盖3300～3600 MHz频段;而在基板侧面放置的四个倒F天线标记5#—8#天线单元,该倒F天线的水平辐射单元长度为15.8 mm,高度为4 mm,同样也是覆盖3300～3600 MHz频段;最后四个为9#—12#立体倒F天线,放置于基板长边中间位置,该天线主要是用于补充覆盖5G通信系统中的4800～5000 MHz频段。介质基板的下表面为该十二端口天线系统的平面地,并在该天线系统平面地的两个短边上分别开了17 mm*1 mm的槽以便更好的提高天线与天线之间的隔离度。

图1 MIMO系统整体结构示意图

如图2所示,为该MIMO系统的1#天线单元辐射枝节的展开示意图,2—4#天线单元与1#天线单元相同,该天线辐射枝节通过折叠的方式贴附在FR4介质支撑上面,该FR4支撑大小为5 mm*5 mm*3 mm,从1#天线单元枝节展开图可以看到该天线主要是由两条电流路径构成:其一是贴附于FR4支撑上表面顶部的辐射枝节1记为strip1,其二为沿FR4支撑前表面、左侧表面与后侧表面折叠贴附的辐射枝节2记为strip2构成。图2(b)给出了该MIMO系统10#天线单元辐射枝节展开图,另外9#、11#与12#单元于10#单元结构相同,如图10#天线单元的辐射枝节折叠贴附于5 mm*5 mm*2 mm的FR4立体支撑上,由于该天线单元是为了补充覆盖4900 MHz的5G频带,因此对于该天线单元只需要一条电流路径即可实现4900 MHz频带的覆盖,而该天线唯一的辐射枝节贴附于FR4支撑的前表面与左侧表面上[2]。

图2 立体倒F天线枝节展开图

将10#天线单元唯一辐射枝节的末端长度标记为b,对其进行参数分析,如图3(c)所示,可以看到黑色曲线即为b=2.4 mm时候10#天线单元的反射系数,其谐振点落在4900 MHz处,随着参数b的增加或减少对应的谐振点也将分别向低频或高频段移动。

另外图3(d)对5#倒F天线单元的水平辐射枝节长度c也进行了分析,5#天线单元水平辐射枝节长度与垂直辐射枝节长度(天线的高度)合起来约是空气介质中3450 MHz频段波长的四分之一。

为了进一步解释该MIMO系统中各天线单元辐射枝节的作用,图4给出的便是1#单元、10#单元以及5#单元在谐振点处的表面电流分布图。图4(a)可以看出1#天线单元在3450 MHz处存在两条电流路径:其一位于顶端位置的表面电流起到了调节天线谐振点的作用,其二是位于FR4立方体支撑三个侧面的表面电流,该路径末端表面电流的强度已经减弱,但仍然起到调节天线阻抗匹配的作用。因此,在该两条电流路径共同作用下使得天线有着300 MHz的阻抗带宽。图4(b)则是10#单元在4900 MHz谐振点处的表面电流,从电流路径的分布来看其路径的总长度约是4900 MHz介质波长的四分之一。图4(c)所示,5#倒F天线单元的表面电流路径,该单元水平辐射单元的长度为15.8 mm,垂直辐射单元的高度为4 mm,因此两个长度的总和约是该天线在自由空间环境中4900 MHz的四分之一波长的长度[3]。

图3 MIMO系统天线单元参数分析

2结果与讨论

如图4所示,给出了该MIMO系统单元与单元之间的隔离度,在覆盖频带内相邻天线单元之间具有较好的隔离度,其中1#单元与5#单元在3400 MHz区间的隔离度大于12 dB,1#单元与4#单元之间的隔离度大于15 dB,5#单元与6#单元之间的隔离度大于13 dB,对于9#单元与10#单元在4900 MHz频带内的隔离度大于19 dB。

图4 MIMO天线系统各单元间隔离度

结语

本文提出一款十二端口MIMO天线系统,该系统整体尺寸136mm*68.8 mm*1 mm,完全适应了当前移动终端尺寸上的规格,在-10 dB阻抗带宽标准下可以满足低频段3300～3600 MHz以及高频段4800～5000 MHz的带宽要求,且该MIMO系统有着较高的增益以及辐射效率。因此,该MIMO天线系在5G通信的终端领域有较好的应用前景。

参考文献：

[1]卢飞龙. MIMO天线的研究与设计[D].西安电子科技大学,2020.

[2]李申. MIMO基站天线和移动终端天线设计[D].大连海事大学,2020.