双宽带MIMO天线的设计

文摘

MIMO天线应用于LTE移动系统应该小型化和可以工作在当前通信频带;每个天线单元之间的隔离也应该是好的,减少无线电波能量损耗,提高天线的MIMO系统的性能。提出了宽带MIMO双天线的设计方案。和天线单元的设计,调试和相关技术措施,如弯曲天线支架,都提出了;高的隔离的集成设计超宽带MIMO天线上实现了板的体积100×52×0.8毫米³;天线工作频带698 MHz ~ 960 MHz和1710 MHz ~ 2700 MHz;在整个光谱,10 dB的端口隔离可以基本实现;在低频段,天线端口的隔离程度可以达到12 dB。

1。介绍

现在,移动MIMO天线系统要求天线单元应该有流行的特点,如宽带和工作通信频带;小型化,它应该有体积小,容易携带;它应该尽可能延长使用时间,方便不同的用户(1- - - - - -3]。

每个天线单元,天线之间应该相互低耦合和高隔离度;因此,它可以减少每个人之间的能量耦合,使更多的能量通过天线辐射或接收单位有效;低相关性也是必要的,这可以增加多样性效应,提高MIMO系统的沟通能力。

至于设计天线的MIMO系统,它应该首先满足系统要求的工作带宽、效率、方向性和增益的天线单元,等等。然后每个天线单元的信号之间的相关性或端口隔离特性也应该被考虑。最后,整个系统的性能可以评估相结合的集成设计和设计特性(4- - - - - -8]。

现在,移动MIMO天线系统要求天线单元特征如宽带特性,它可以工作交流频率;应该是miniaturizated,体积小,容易进行;它还应该有很高的效率和延长的生命周期移动终端单一并方便用户。

在天线单元,它要求低的相互耦合和高的隔离,它应该减少能源之间的耦合。更多的能量可以通过天线辐射或接收有效;低相关性可以增加多样性效应和提高MIMO系统的沟通能力5,7,9]。

2。宽带MIMO天线的设计

双天线布局描述如下:喂点和短路点放置沿着长边的PCB (方向),两根天线位于PCB(短的一面方向)分布和几何两个天线之间的关系呈现镜面对称平行方向。天线的尺寸是15×46毫米²右边的天线馈线,和天线2是与50欧姆匹配负载如图1。

天线加工技术的发展,天线的内置集成容易。但随着天线和手机大小的物理限制在地板上,天线的手机是一种电小天线,高价值。传统的天线在寻求小型化,但很难实现宽带性能(10,11]。此外,多个天线放在狭窄的空间;天线单元的低频和高频范围内其他天线近场区域,它有强耦合;很难实现好的端口隔离。手机天线设计与驱动和寄生元素已被证明是有用的对于多波段操作(12]。

因此,超宽带手机天线的设计应该从两个方面:在一个给定的大小,如何实现宽带单天线设计;当多个天线在工作中,如何减少天线单元之间的耦合,提高天线端口之间的隔离度,减少天线信号之间的相关性。低频部分的带宽和隔离程度难以实现;他们是研究工作的关键;高频率的设计难度较低的一部分。在报纸上,结合移动终端的特点,评估每种技术的优点和缺点的措施,和提取更多有效的方法的超宽带手机天线设计(13]。

耦合饲料的方法,通常采用孔径耦合饲料;它可以增加天线的输入阻抗组件能力;辐射单元与“地面”;它可以添加的重量感应组件,然后它会产生新的谐振点;它将帮助在宽带天线调谐。的一般方法产生多重共振天线如下。

2.1。改变结构的地板上

“地”是一个相对的概念;它是用于描述的零点电压。在手机其工作频带内,严格地说,没有真正意义上的“地面”;“地”的概念的引入可以帮助我们更好地理解天线的工作原理。k . Fuj并且绕着圆圈圈打转1968年提出天线地板也将参与辐射的能量。馈线电缆与天线的一端连接;另一端是与“地板”,由于射频电流流经天线和地板上,我们可以看作为不对称偶极子天线和地板上。因此,通过改变结构的地板上,减少地板,它可以提高天线匹配效果,扩大工作带宽。

2.2。耦合结构的饲料+短路

任何形式的天线是由给料机部分,辐射元素,匹配网络,支架,等等;馈电网络的设计尤为重要。而耦合饲料+短路结构是广泛使用的结构,其设计原则很明确;带宽的改善效果是显而易见的。我们通常采用孔径喂养方法;它可以增加天线的输入阻抗组件能力;辐射单元与短路,这增加了电感组件,然后产生新的谐振点;它将帮助调优的宽带天线。

2.3。添加集成组件

天线加载是一种传统的方法扩大匹配带宽;它可以加载纯电阻,电感,电容,或复杂的阻抗。对于手机天线,它通常使用电感或电容性负载。它是因为,ultrawide带天线的输入阻抗,电阻分量很小,虽然无功分量很大,可以通过引入集中组件组成;另一方面,因为纯电阻损失太大,它可以减少天线的辐射效率。电感的直流电阻组件通信,通常用于低频率调整的一部分;相比之下,电容是常用的高频部分。

2.4。增加寄生单元

添加合理的寄生在天线单元可以被看作是一种使用近场天线耦合的优化;外面可以减少介质衬底漏磁场和其他可以帮助减少耦合电磁设备的天线,它可以提高整体的电磁兼容性。

这个方案的优势技术措施如板弯曲,电感负载,和天线支持添加;选择天线布局的整体设计方案。当参考驻波小于5 dB,天线工作单元可以在整个频带;端口隔离可以达到12分贝;ECC(包络相关系数)将小于0.15;虽然身体的厚度是2毫米,相对较厚,但天线的辐射效率可以达到68%。天线的照片如图2。

3所示。主要设计参数

天线数量不得超过105××13.5毫米³;介电常数是3;损耗角的正切值是0.06。板卷是100 52××0.8毫米³;介质衬底常数是4.4;损耗角的正切值是0.02。

单天线体积不得超过52 15××5毫米³;参考端口的驻波5 dB或6分贝;工作频率是在所有频带,即698 ~ 960 MHz和1710 ~ 2700 MHz;天线的辐射效率在低频部分不得少于40%;在高频部分,不得少于55%;增益小于3 dB。隔离的要求是,在整个频带<−8分贝。ECC的要求是,在低频部分应小于0.5,而在高频部分应该小于0.3。

4所示。设计原则

可以看出,天线的尺寸非常小;它还要求天线工作频率;端口隔离度也应该更好。结合手机天线的设计经验,合理设计的天线单元和天线布局的第一步。至于天线单元,本文采用孔径耦合的结构,使集中组件加载和短路的技术,所以它将占用较少的空间;在双天线的布局,它应该采取布局不缩短的长度”,“为了得到良好的端口隔离效果。如果这只取决于天线本身的设计,很难满足设计要求,因此,必须结合辅助措施,如改变天线板的结构,增加寄生单元(天线支架),和其他辅助措施。此外,为了减少设计难度和提高设计的效率,应该一起模拟建模过程的设计。

4.1。单天线的模拟

根据布局,它选择天线板的相对位置,通过天线单元的优化设计和结合的技术措施,如天线支架;它还延长板单天线满足设计要求;详细的尺寸如图3。天线占据体积15×31×5毫米³52,板的体积是100××0.8毫米³,整个体积是105×58×13毫米³,板的厚度是2毫米,和厚度从左到右是1毫米。

当前美联储天线馈点的单位;通过光圈,耦合到当前辐射单元;最后,它达到短路点。谐振模式兴奋在1.69 GHz和2.28 GHz的频率;它涵盖了从1710兆赫到2700兆赫。通过加载7.5 nH浓度组件,它可以有效地调节输入阻抗698 MHz ~ 960 MHz的一部分;天线可以工作在谐振模式0.74 GHz和0.93 GHz的频率。

模拟反射损失和辐射效率如图4和5。当驻波小于5 dB,天线可以在整个频带;虽然套管物质损失大,由于端口匹配的效率高,辐射效率在整个频带仍能达到68%以上,满足设计要求。

图4显示了单天线在不同的环境中工作。Ref1、ref2 ref3 ref4,分别代表没有天线支架的情况下,没有天线支架和弯曲的地板,地板没有弯曲,没有天线套管。

从图可以看出,在ref1,天线支架毫无影响;它符合设计目的,但的确,支架的宽度会影响;此外,它可以固定天线的函数。在ref2,它只包括底盘;阻抗匹配条件恶化0.825 GHz的频率附近,所以它不能满足设计要求;通过制作与ref3 ref2,它可以发现匹配条件的差异小;在ref4低频部分,套管有影响;通过添加一个底盘,降低共振模式可以刺激,它可以提高天线的匹配条件;天线的辐射是类似于微带天线。因此,通过改变结构合理,它可以提高天线匹配效果;的集成建模优化也可以减少设计难度。

随着电感较小影响高频天线匹配的一部分,它极大地影响了在低频部分,如图6,它给出了电感的影响在在0.6 GHz ~ 1 GHz的频率。在低频率,共振模式相对敏感,通过优化的= 7.5 nH;当< 5 dB,它可以覆盖的低频部分。

4.2。双天线的仿真

在单天线阻抗匹配和辐射效率满足设计、天线单元存在轴对称分布。天线单元结构和参数如图7和8,分别。

通过图8,我们可以看到,与单天线相比,双天线的谐振工作模式没有改变,只是其匹配状态改变;匹配点0.74 GHz频率提高,地位虽然在1.69 GHz匹配状态恶化,但它仍然满足设计要求。天线隔离度的港口在整个频谱保持在10 dB的水平。在设计方案中,隔离在低频部分可以达到12 dB。图9显示了天线单元的辐射效率;在整个频带,天线的效率可超过62%,所以它可以满足设计要求。

图10显示了在不同条件下端口隔离度。Ref1 ref2,分别代表了设计没有弯曲板和设计没有天线支架。因为板的弯曲可以提高0.825 GHz频率附近的阻抗匹配条件,结合对称天线单元的隔离程度是相对贫穷的0.825 GHz频率附近,但仍能满足设计的要求。

相关类型的ECC计算如图11。在整个频带,ECC的值小于0.15。

5。结论

在报纸上,在空间的体积是105×58×13毫米³设计一个宽带MIMO天线的可以工作在整个频谱;弯曲板高度为8毫米。在光谱中,端口隔离天线可以实现10分贝;在低频部分,它可以达到12 dB。

在设计,它强调了集成双天线的设计原则和过程;作为设计平台的物理大小限制,它首先给出了天线单元设计和天线布局方案;然后,它考虑了天线套管和支持的影响,降低设计难度,然后使用板的弯曲使天线性能满足设计要求;最后,天线单元可以确定满足设计要求和布局;双天线的整体设计。尽管天线套管的厚度相对较高,能量损失的机身将会增加,但整体天线匹配条件很好;天线的辐射效率仍然很高,能够满足设计要求。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

美国国家科学基金会支持的研究在一定程度上是中国(61271160,61172045)和国家人才培养的基本基金(J1103210)。

引用

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