一種用于手持移動終端的九頻段雙天線系統(tǒng)

王尚 杜正偉

(清華大學電子工程系,清華信息科學與技術(shù)國家實驗室(籌),北京 100084)

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一種用于手持移動終端的九頻段雙天線系統(tǒng)

王尚 杜正偉

(清華大學電子工程系,清華信息科學與技術(shù)國家實驗室(籌),北京 100084)

提出了一種應用于手持移動終端的九頻段雙天線系統(tǒng).該雙天線系統(tǒng)由兩個對稱的天線單元、一個解耦地枝和一個浮置結(jié)構(gòu)組成.構(gòu)成天線單元的驅(qū)動分枝和寄生地枝共同激勵起多個諧振模式.通過采用解耦地枝,降低了低頻帶內(nèi)的互耦,改善了高頻帶內(nèi)的阻抗匹配.通過添加浮置結(jié)構(gòu),增加了低頻帶和高頻帶的工作帶寬,降低了高頻帶下限頻率附近的互耦.實測結(jié)果表明:天線樣品在低頻帶和高頻帶內(nèi)的-6 dB公共阻抗帶寬分別為276 MHz (692～968 MHz)和1 110 MHz (1 636～2 746 MHz),覆蓋了LTE700/2300/2500,GSM850/900,DCS/PCS/UMTS和2.4-GHz WLAN頻段;低頻帶內(nèi)的互耦低于-10 dB,高頻帶內(nèi)的互耦低于-13.7 dB.根據(jù)實測三維輻射方向圖計算了雙天線系統(tǒng)的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)、平均有效增益和分集增益計算結(jié)果表明,雙天線系統(tǒng)具有良好的分集性能.

多輸入多輸出系統(tǒng);多頻段天線;解耦;手持移動終端

引 言

多輸入多輸出(Multiple-input Multiple-output,MIMO)系統(tǒng)通過在移動通信系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端均安裝多個天線,利用傳播環(huán)境中的多徑分量,來提高通信質(zhì)量和增加系統(tǒng)容量[1].在針對手持移動終端進行多天線設(shè)計時,由于尺寸受限,在不采取任何解耦措施的情況下天線單元之間的互耦往往很高,這將使移動通信系統(tǒng)的性能嚴重惡化[2].隨著移動通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,手持移動終端在變得越來越輕薄美觀的同時,集成了越來越多的功能,并能夠兼容多種通信制式.對于能夠提供無線廣域網(wǎng)(Wireless Wide Area Network,WWAN)、無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network,WLAN)和長期演進(Long Term Evolution,LTE)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的手持移動終端,天線需要覆蓋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)頻段.

由于應用于手持移動終端的多頻段多天線系統(tǒng)面臨迫切的應用需求和嚴峻的設(shè)計挑戰(zhàn),國內(nèi)外學者對此開展了廣泛研究.利用地枝結(jié)構(gòu)來降低多天線系統(tǒng)的互耦是一種常用的方法[3-8]．文獻[3]通過在兩個彎折單極子天線單元之間采用矩形凸出地結(jié)構(gòu),設(shè)計了一種適用于LTE手持終端的雙天線系統(tǒng),其實測-10 dB 阻抗帶寬達到50 MHz(2 570～2 620 MHz),帶內(nèi)互耦低于-30 dB. 文獻[4]通過在兩個天線單元之間采用一種末端展寬的凸出地結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了一種應用于手機終端的雙天線系統(tǒng),其實測-6 dB阻抗帶寬包括低頻和高頻兩部分,分別為136 MHz(824～960 MHz)和980 MHz(1 710～2 690 MHz),覆蓋了GSM850/900,DCS,PCS,UMTS,2.4-GHz WLAN和LTE2300/2500頻段,帶內(nèi)互耦低于-10 dB.文獻[5]通過在地板的一角引入十字形枝節(jié),設(shè)計了一種應用于具有高精度定位導航功能的手持終端的寬帶圓極化雙天線系統(tǒng),其實測-10 dB阻抗帶寬達到600 MHz(1.1～1.7 GHz),帶內(nèi)互耦低于-14 dB.文獻[6]通過在天線單元上開Z形槽和采用T形地枝結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種適用于手機的雙天線系統(tǒng),其實測-10 dB 阻抗帶寬達到715 MHz(1.91～2.625 GHz),覆蓋了UMTS和2.4-GHz WLAN頻段,帶內(nèi)互耦低于-10 dB.文獻[7]通過在兩個背靠背的G形單極子基礎(chǔ)上綜合應用T形地枝和雙倒L形地枝結(jié)構(gòu),設(shè)計一種適用于手機終端的雙天線系統(tǒng),其實測-10 dB阻抗帶寬達到1 200 MHz(1.7～2.9 GHz),覆蓋了DCS,PCS,UMTS,2.4-GHz WLAN和LTE2300/2500頻段,帶內(nèi)互耦低于-15 dB.文獻[8]通過在兩個天線單元之間安置接地隔離環(huán)結(jié)構(gòu),提出了一種應用于智能手機的雙天線系統(tǒng),其實測-6 dB阻抗帶寬包括低頻和高頻兩部分,分別為136 MHz(824～960 MHz)和980 MHz(1 710～2 690 MHz),覆蓋了GSM850/900,DCS,PCS,UMTS,2.4-GHz WLAN和LTE2300/2500頻段,帶內(nèi)互耦低于-15 dB.在移動終端多天線系統(tǒng)的去耦技術(shù)中,中和線技術(shù)(neutralization line)也是一種常見的有效的技術(shù)[9-10].文獻[9]提出了一種應用于WWAN/LTE智能手機的雙天線系統(tǒng),其實測-6 dB阻抗帶寬包括低頻和高頻兩部分,分別為136 MHz(824～960 MHz)和1 130 MHz(1 710～2 840 MHz),覆蓋了GSM850/900,DCS,PCS,UMTS,2.4-GHz WLAN和LTE2300/2500頻段,帶內(nèi)互耦低于-10 dB. 文獻[10]提出了一種應用于LTE/WWAN智能手機的低互耦雙天線系統(tǒng),其實測-6 dB阻抗帶寬為266 MHz(702～968 MHz),518 MHz(1 698～2 216 MHz)和736 MHz(2 264～3 000 MHz),覆蓋了LTE700,GSM850/900,DCS,PCS,UMTS,2.4-GHz WLAN和LTE2300/2500頻段,帶內(nèi)互耦低于-10 dB.該雙天線系統(tǒng)通過采用電感加載的交叉中和線,有效降低了低頻段和中間頻段工作頻帶內(nèi)的互耦.文獻[11]利用中和技術(shù)設(shè)計了一種具有四個天線單元的雙端口天線陣列,其實測-6 dB阻抗帶寬包括低頻和高頻兩部分,分別為70 MHz(0.89～0.96 GHz)和500 MHz(1.7～2.2 GHz),覆蓋了GSM900、DCS、PCS和UMTS頻段,帶內(nèi)互耦低于-30 dB.文獻[12-13]對應用于手機終端的四單元天線進行了研究.然而,對于應用于手持移動終端的,能夠完全覆蓋LTE700/2300/2500,GSM850/900,DCS,PCS,UMTS和2.4-GHz WLAN 頻段的低互耦(至少低于-10 dB)雙天線系統(tǒng),除文獻[10]外鮮有報道.

將文獻[14]提出的一種九頻段平面印制天線進行適當調(diào)整,作為天線單元,綜合運用解耦地枝和浮置結(jié)構(gòu)進行解耦和帶寬拓展,設(shè)計了一種應用于手持移動終端的能夠覆蓋LTE700/2300/2500,GSM850/900,DCS,PCS,UMTS和2.4-GHz WLAN頻段的低互耦雙天線系統(tǒng).實驗結(jié)果表明,該雙天線系統(tǒng)具有良好的分集性能.

1 天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計

圖1給出了雙天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及具體尺寸.如圖1(a)所示,該雙天線系統(tǒng)印制在一塊主板和一塊頂板上.主板和頂板均選用厚度為0.8 mm、相對介電常數(shù)為4.4、損耗角正切為0.02的環(huán)氧樹脂(FR4)介質(zhì)板,尺寸分別為5 mm×80 mm和 134.2 mm×80 mm.頂板垂直安置在主板的短邊沿上.如圖1(b)和(c)所示,雙天線系統(tǒng)由兩個鏡像對稱放置的天線單元、一個解耦地枝和一個浮置結(jié)構(gòu)組成.天線單元包括驅(qū)動分枝和寄生地枝.驅(qū)動分枝印制在主板的正面,其結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1(d)所示.寄生地枝包括內(nèi)分枝和外分枝,其結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1(e)所示.內(nèi)分枝用來增強與驅(qū)動分枝的耦合作用.為了減小天線部分占據(jù)的主板的面積,將外分枝靠近介質(zhì)板邊沿的寬金屬帶進行彎折,并印制在頂板的外側(cè)面上.寄生分枝的其余部分印制在主板的背面,并通過接地端與同樣印制在主板背面的地板相連.地板的尺寸為120 mm×80 mm,用來模擬5.7英寸智能手機中除天線外的其他金屬部分.解耦地枝和浮置解耦均相對于雙天線系統(tǒng)的對稱軸左右對稱地安置在兩個天線單元之間,其結(jié)構(gòu)和尺寸分別如圖1(f)和(g)所示.同樣,為了減小占據(jù)的主板面積,將解耦地枝和浮置結(jié)構(gòu)進行彎折.解耦地枝的彎折部分印制在頂板的外側(cè)面,其余部分印制在主板的背面.浮置結(jié)構(gòu)的彎折部分印制在頂板的內(nèi)側(cè)面,其余部分印制在主板的正面.雙天線系統(tǒng)的饋線采用特征阻抗為50 Ω的半剛同軸線.如圖1(c)所示,饋線的外導體焊接在地板上,中心導體通過饋電點位置的過孔與驅(qū)動分枝相連.

圖1 雙天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及尺寸(單位:mm)

為了說明該雙天線系統(tǒng)的工作機理,利用三維全波電磁仿真軟件(High Frequency Structure Simulator,HFSS)對設(shè)計過程中的各個天線結(jié)構(gòu)進行了仿真分析.在仿真模型設(shè)置中,對雙天線系統(tǒng)中的一個天線單元進行激勵,另一個天線單元接50 Ω匹配負載.圖2給出了設(shè)計過程中的各個天線結(jié)構(gòu),并對比了各個天線結(jié)構(gòu)的S參數(shù)仿真結(jié)果.由于雙天線系統(tǒng)的對稱性和互易性,S11=S22,S21=S12.由于文獻[14]已經(jīng)對天線單元的工作機理進行了詳細闡述,本文對天線單元的驅(qū)動分枝和寄生地枝的功能不再做贅述.

圖2 雙天線系統(tǒng)演進過程中各個天線結(jié)構(gòu)及其S參數(shù)仿真結(jié)果對比

為了明確所提出的雙天線系統(tǒng)中解耦地枝和浮置結(jié)構(gòu)這兩個功能單元的作用,雙天線結(jié)構(gòu)演進過程分為三步.第一步,以文獻[14]提出的天線結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),進行適當調(diào)整后,鏡像對稱地放置在主板和頂板上,得到的雙天線結(jié)構(gòu)記為天線#1.天線#1在低頻帶和高頻帶內(nèi)激勵起多個諧振模式.低頻帶內(nèi)天線#1的阻抗匹配良好,但互耦高達-7.6 dB.天線#1的S11在高頻帶內(nèi)的部分頻率高于-6 dB,而|S11|<-6 dB是內(nèi)置多頻手機天線設(shè)計中被廣泛接受的用來界定天線阻抗帶寬的評判標準[15-16].天線#1在高頻帶內(nèi)的互耦低于-10 dB.第二步,在天線#1基礎(chǔ)上增加解耦地枝,得到的雙天線結(jié)構(gòu)記為天線#2.對比圖2(b)中天線#1與天線#2的S參數(shù)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),通過增加解耦地枝,雙天線在低頻帶內(nèi)的匹配變差,互耦降低到-10 dB附近,高頻帶內(nèi)頻率最高的兩個諧振模式被拉低,高頻帶內(nèi)的匹配變好,高頻帶內(nèi)在下限頻率附近雙天線的互耦高于-10 dB.第三步,在天線#2基礎(chǔ)上增加浮置結(jié)構(gòu),得到最終的雙天線系統(tǒng)設(shè)計方案.通過增加浮置結(jié)構(gòu),該雙天線系統(tǒng)的低頻帶寬和高頻帶寬均得到拓展,低頻帶內(nèi)的互耦略有增加,高頻帶下限頻率附近的互耦得到降低.最終實現(xiàn)了能夠完全覆蓋LTE700/2300/2500,GSM850/900,DCS,PCS,UMTS和2.4-GHz WLAN頻段的低互耦雙天線系統(tǒng).

為了進一步說明解耦地枝和浮置結(jié)構(gòu)對降低兩個天線單元之間互耦的作用,圖3給出了未添加解耦結(jié)構(gòu)的雙天線系統(tǒng),即天線#1,在低頻帶和高頻帶內(nèi)不同頻率的表面電流分布,并與所提出的帶有解耦地枝和浮置結(jié)構(gòu)的雙天線系統(tǒng)在相應頻率處的表面電流分布進行了對比.圖中僅對天線單元1進行激勵,天線單元2接50 Ω匹配負載.通過對比各個頻率處添加解耦結(jié)構(gòu)前后的雙天線系統(tǒng)的電流分布,可以發(fā)現(xiàn),低頻帶和高頻帶內(nèi)耦合到天線單元2的饋電端口附近的表面電流均得到有效減弱.這是由于在解耦地枝和浮置結(jié)構(gòu)的共同作用下,在兩個天線單元之間形成新的耦合路徑.新形成的耦合與添加解耦結(jié)構(gòu)前兩個天線單元之間的原有耦合在天線單元2饋電端口處反向抵消,使高頻帶和低頻帶內(nèi)的S21均得到降低.

圖3 未添加解耦結(jié)構(gòu)的雙天線系統(tǒng)(天線#1)以及最終提出的雙天線系統(tǒng)在不同頻率的表面電流分布

2 測試結(jié)果及分析

為了對上述仿真結(jié)果進行驗證,根據(jù)圖1中給出的雙天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸制作了天線樣品.實物照片如圖4所示.利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent E5071B對天線樣品的S參數(shù)進行了測試.圖5給出了天線樣品的S參數(shù)的測試結(jié)果.天線樣品在低頻帶內(nèi)的-6 dB公共阻抗帶寬為276 MHz (692～968 MHz),在高頻帶內(nèi)的-6 dB公共阻抗帶寬為1 110 MHz (1 636～2 746 MHz),覆蓋了LTE700/2300/2500,GSM850/900,DCS/PCS/UMTS和2.4-GHzWLAN頻段;低頻帶內(nèi)的互耦低于-10 dB,高頻帶內(nèi)的互耦低于-13.7 dB.

圖4 雙天線系統(tǒng)實物圖

圖5 天線樣品的S參數(shù)測試結(jié)果

利用微波暗室ETS-Lindgren AMS-8500對天線樣品的三維輻射方向圖進行了測試.測試中,對其中一個天線單元進行激勵,另一個天線單元端接一個50 Ω匹配負載.圖6給出了低頻帶和高頻帶內(nèi)的不同頻率處分別對兩個天線單元進行激勵時的三維輻射方向圖.該雙天線系統(tǒng)在低頻帶內(nèi)的方向圖呈傾斜的偶極子方向圖形式,在高頻帶內(nèi)的方向圖產(chǎn)生畸變,變得不規(guī)則.無論是在低頻帶,還是在高頻帶,兩個天線單元的輻射方向圖都基本互補,能夠提供方向圖分集來對抗無線傳輸環(huán)境中的多徑衰落.

圖6 天線樣品在不同頻率的三維輻射方向圖測試結(jié)果

圖7 天線樣品的效率與增益的測試結(jié)果

圖7給出了當兩個天線單元分別被激勵時天線樣品的效率與增益的測試結(jié)果.天線樣品在LTE700和GSM850/900頻段(704～960 MHz)內(nèi)的實測效率為22.4%～48.9%,實測增益為-1.7～0.5 dBi;在DCS,PCS,UMTS,2.4-GHz WLAN和LTE2300/2500頻段(1 710～2 690 MHz)內(nèi)的實測效率為29.2%～77.6%,實測增益為-2.2～6.1 dBi.從圖7中可以看到,天線樣品的實測效率和增益曲線在2 050 MHz附近存在一個凹陷點,在960 MHz 附近的效率和增益也變低.這是由于在960 MHz和2 050 MHz附近,天線部分電流抵消作用比較嚴重.未來將針對該問題開展深入研究.

包絡(luò)相關(guān)系數(shù)、平均有效增益和分集增益是評估多天線系統(tǒng)分集性能的重要參數(shù).對于雙天線系統(tǒng),要獲得良好的分集性能,要求兩個天線單元之間的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)滿足ρe12<0.5,兩個天線單元的平均有效增益滿足|GME1/GME2|<3 dB[17].

對于包絡(luò)服從瑞利分布的兩路窄帶信號,包絡(luò)相關(guān)系數(shù)ρeij與復相關(guān)系數(shù)ρcij存在如下關(guān)系[18]

ρeij?|ρcij|2.

(1)

式中,i和j分別對應多天線系統(tǒng)中的第i個和第j個天線單元.對于移動通信環(huán)境中的多徑來波,假設(shè)正交極化分量不相關(guān)并且每個獨立的極化分量空間不相關(guān),則復相關(guān)系數(shù)ρcij可以利用多天線系統(tǒng)的遠場輻射方向圖和信道的統(tǒng)計特性通過下式計算得到[19]

(2)

其中

(3)

式中:Γ表示入射波的交叉極化率,即入射波的θ極化分量的平均功率密度與φ極化分量的平均功率密度之比,對于典型的室內(nèi)環(huán)境和市區(qū)環(huán)境Γ分別為0 dB和6 dB[20];Eθ和Eφ分別表示入射波的θ極化分量和φ極化分量的復電場方向圖;pθ和pφ分別表示入射波的θ極化分量和φ極化分量的角度概率密度函數(shù); *表示對參量取復共軛.

平均有效增益GME是指天線沿多徑環(huán)境中某隨機路徑移動中的平均接收功率與沿同一選擇路徑移動中到達天線的總平均入射功率之比[21].平均有效增益可以通過下式計算得到[21]

(4)

式中,Gθ和Gφ分別表示入射波的θ極化分量和φ極化分量的功率方向圖.

分集增益是指在某一給定的截斷概率下,多天線系統(tǒng)通過某種合并算法(選擇合并算法、等增益合并算法或者最大比合并算法)得到的接收信號的信噪比相對于單個天線的接收信號的信噪比的改善程度.假設(shè)多天線系統(tǒng)接收到的各路信號在短衰落時間間隔內(nèi)的平均信噪比都等于Ψ,則利用選擇合并算法得到的各路信號的瞬時信噪比γ均小于某一門限信噪比x的概率可以用下式表示[22]

P(γ≤x)=(1-e-x/Ψ)N.

(5)

式中,N表示多天線系統(tǒng)天線單元的個數(shù).對于雙天線系統(tǒng),假設(shè)x?Ψ,則兩路相關(guān)接收信號信噪比的概率密度函數(shù)為

(6)

根據(jù)實測三維輻射方向圖,利用式(1)～(6)可以計算得到所提出的雙天線系統(tǒng)的包絡(luò)相關(guān)系數(shù)、平均有效增益和分集增益.計算中,假設(shè)來波各極化分量為球面均勻分布,即pθ=pφ=1/(4π),取截斷概率為1%.表1中所列各種情況下,該雙天線系統(tǒng)都表現(xiàn)出良好的分集性能,具有較低相關(guān)性(ρe12<0.2)、比較均衡的平均接收功率(|GME1/GME2|< 1.1 dB)以及較高的分集增益.

表1 雙天線系統(tǒng)的分集性能

3 結(jié) 論

提出了一種應用于手持移動終端的帶有解耦地枝和浮置結(jié)構(gòu)的九頻段雙天線系統(tǒng).該項工作成功實現(xiàn)了應用于手持移動終端的能夠完全覆蓋LTE700/2300/2500,GSM850/960,DCS/PCS/UMTS及2.4-GHzWLAN頻段的低互耦雙天線系統(tǒng).實驗結(jié)果表明該雙天線系統(tǒng)具有良好的分集性能.未來工作將針對雙天線系統(tǒng)的效率和增益的改善開展深入研究.

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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

北京市自然科學基金(4152025)； 廣東省科技計劃項目(2013B010401025)

TN828

A

1005-0388(2015)05-0827-07

王尚 (1987-)，男，河北人，清華大學電子工程系博士研究生.主要研究方向為移動終端寬帶多頻段多天線設(shè)計及多天線解耦方法研究.

杜正偉 (1971-)，男，四川人，清華大學電子工程系教授，博士生導師.主要研究方向為小天線與電波傳播、微波電路、電磁兼容及計算電磁學等.

王尚, 杜正偉. 一種用于手持移動終端的九頻段雙天線系統(tǒng)[J]. 電波科學學報,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

聯(lián)系人： 王尚 E-mail: wangshang10@mails.tsinghua.edu.cn