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一种用于5G移动通信手持终端的双频MIMO系统_虞成城.pdf

发布时间：2022-06-01 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.67M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    微波学报 Journal of Microwaves ISSN 1005-6122,CN 32-1493/TN 《微波学报》网络首发论文 题目： 一种用于 5G 移动通信手持终端的双频 MIMO 系统 作者： 虞成城，任周游，赵安平 收稿日期： 2018-11-22 网络首发日期： 2019-11-18 引用格式： 虞成城，任周游，赵安平．一种用于 5G 移动通信手持终端的双频 MIMO 系 统．微波学报. http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1493.TN.20191118.1422.008.html 网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶 段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期 刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出 版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合《出 版管理条例》和《期刊出版管理规定》的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编 辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、 出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。 为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容， 只可基于编辑规范进行少量文字的修改。 出版确认：纸质期刊编辑部通过与《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司签约，在《中国 学术期刊（网络版）》出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷 出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为《中国学术期刊（网络版）》是国家新闻出 版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN 2096-4188，CN 11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首 发论文视为正式出版。
    网络首发时间：2019-11-18 15:51:12 网络首发地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1493.TN.20191118.1422.008.html 一种用于 5G 移动通信手持终端的双频 MIMO 系统* 虞成城 任周游 赵安平 ( 深圳市信维通信股份有限公司，深圳 518057 ) 摘 要：为满足 5G 移动通信系统对信道容量的要求，提出了一种应用于 5G 移动终端的双频多输入多输出（MIMO） 天线系统。它由沿移动终端两个长边垂直放置的八个天线单元组成。该天线系统可以覆盖中国工业和信息化部(MIIT) 所规划的 3.3~3.6GHz 和 4.8~5GHz 两个频段，且低频段和高频段的天线效率分别高于 61%和 50%。通过优化各天线的 相对位置和放置方向，使得各端口之间的隔离度优于 15dB。为更好评估天线系统性能，计算了 MIMO 天线的包络相关 系数（ECC）和信道容量（CC）。所得该 MIMO 天线系统在工作频段内 ECC 均小于 0.1，且信道容量峰值可以达到 36.8bps/Hz。同时，制作并测量了 MIMO 天线样品，测试结果与仿真结果表现出良好的一致性。 关键词：5G，MIMO，双频天线，移动终端天线 A Dual-Band MIMO Antenna System for 5G Mobile Terminals YU Cheng-cheng, REN Zhou-you, ZHAO An-ping (Shenzhen Sunway Communication Co., Ltd，Shenzhen 518057, China) Abstract: In order to meet the requirement of channel capacity for 5G mobile communication system, a dual-band antenna system for multiple-input multiple-output (MIMO) applications in future 5G mobile terminals is presented in this paper. The proposed antenna system consists of eight antenna elements which are placed perpendicularly along two long edges of the mobile terminal. The antenna system can cover the 3.3-3.6GHz and 4.8-5GHz bands regulated by the Ministry of Industry and Information Technology of China (MIIT), and the antenna total efficiency is higher than 61% and 50% in low and high bands, respectively. By optimizing the relative position and placement direction of each antenna, the isolation is better than 15dB between each port. Envelope correlation coefficient (ECC) and channel capacity (CC) are also used to evaluate the MIMO performance of the proposed MIMO antenna system. The obtained ECC of this MIMO system is less than 0.1 and the maximum or peak value of CC can reach 36.8bps/Hz. Antenna prototype is fabricated and measured; and quite good agreement between simulation and measurement is obtained. Key words：5G, MIMO system, dual-band antenna, mobile terminal antenna 引 言 为 实 现 更 高 的 数 据 速 率 ， 多 输 入 多 输 出 （MIMO）天线系统将广泛应用于第五代移动通信 系统[1-3]。也就是说，更多的天线将被放置在手机 有限的空间当中。同时，更多的天线会恶化每个 天线之间的隔离度。近几年，一些研究[4-8]为八天 线 MIMO 系统提供了很好的解决方案，但是这些 设计只能覆盖单一频段，而未来的 5G 通信将会运 用两个或多个频段。因此，如何实现具有良好隔 离度和天线效率的多频带 MIMO 天线是关键。 本文提出了一种八单元双频 MIMO 天线系 统。该天线系统包括八个工作在 3.3~3.6GHz 和 4.8~5GHz 的双频天线单元，能够很好地覆盖中国 工业和信息化部（MIIT）规划的两个 5G 频段。通 过对各天线单元的位置和方向进行优化，可以获 得好于 15dB 的隔离度。此外，所提出的双频 MIMO 天线系统的包络相关系数（ECC）均小于 0.1，在 所 覆 盖 的 工 作 频 段 内 信 道 容 量 (CC) 峰 值 可 达 36.8bps/Hz，能够很好地满足 5G 移动终端的需求。 所提出的八 天线 MIMO 系统的性 能通过仿真 （CST 2018[9]）和实际测量得到证实，所得结果具 有很好的一致性。 1 天线设计 1.1 天线模型 图 1 为本文提出的八单元双频 MIMO 天线系 统的示意图，所有天线单元都位于手持终端的两 个长边上，系统主基板的尺寸为 150mm×75mm， 相当于目前 6 英寸智能手机的大小，两个小基板 (134mm×6mm)垂直放置在主基板的两侧，每个小 基板上有四个天线单元。小基板和主基板均为双 面 FR-4，基板厚度为 0.8mm，相对介电常数 εr = 4.3，损耗角正切 tanδ= 0.02。在主基板的顶部和底 部有两个净空区域(75mm×8mm)，这些区域将用来 放置目前手机中的 LTE 天线以及 WiFi 等的天线。 图 2 给出了 MIMO 系统的侧视图，从图中可以看 * 收稿日期：2018-11-22；修回日期：2019-09-03 基金项目：深圳市科技创新委员会（重 2018-0156）；深圳市发展和改革委员会（2017-1393）
    出，四个天线相对于主基板中轴对称，其中，天 线 1 和天线 2 方向相同，天线 2 与天线 3 方向相 反。每个天线由 SMA 连接器从基板背部通过过孔 连接到 50Ω 微带线馈电。 图 1 八单元双频 MIMO 天线系统示意图 图 2 八单元双频 MIMO 天线系统侧视图 1.2 天线单元 天线单元的几何示意图如图 3 所示，天线单 元由一个 L 型馈电单元和一个 F 型接地辐射单元 构成。天线整体高度为 Ha，馈电单元的竖直高度 和水平长度分别为 Ht 和 Lt，馈电分支的宽度为 Wt， 接地辐射单元的两个水平分支长度分别为 L1 和 L2，宽度分别为 W1 和 W2，两个水平分支之间的距 离为 G1，馈电分支和接地分支的竖直结构的水平 距离为 D1。通过优化天线尺寸至表 1 中的参数， 可以产生覆盖 3.3~3.6GHz 和 4.8~5GHz 的谐振。 图 4 给出了单个天线单元的 S 参数和天线效率的 仿真结果，此结果是在图 1 所示的天线系统中只 存在天线 3 时得到的。从图 4 中我们可以看出， 天线单元的 6dB 阻抗带宽为 3.2~3.76GHz (16%) 和 4.7~5.12GHz (8.6%)，天线效率在工作频段内大 于 60%。 （a）L 型馈电单元 （b）F 型接地辐射单元 图 3 MIMO 天线单元示意图 表 1 天线单元尺寸 mm L1 10.2 Wt 1 L2 9.2 Ht 3.2 W1 1 G1 1.2 W2 1 D1 2.5 Lt 4.5 Ha 6.8 图 4 天线单元的 S 参数和天线效率 图 5 天线单元回波损耗随 L1 的变化 为了更清楚地说明该天线单元的工作原理， 图 5 和图 6 给出了天线单元回波损耗随 L1 和 L2 变 化的仿真结果，从图中可以看出，通过调整 F 型 辐射单元的第一水平分支的长度 L1，可以同时调 节低频和高频的两个谐振，而第二水平分支的长 度 L2 主要影响高频的谐振。图 7 给出了天线单元 工作在 3.45GHz 和 4.9GHz 时的电流分布的仿真 结果，从图中可以看出，天线在高频工作时，电 流集中分布在 F 型辐射分支的缝隙处。所以，通 过调节水平分支 L1 和 L2 的长度，以及两个水平分
    支之间的距离 G1，可以将天线的两个谐振调整到 所需工作频段内。 图 8 MIMO 天线模型 图 6 天线单元回波损耗随 L2 的变化 图 9 MIMO 天线 S 参数仿真和测试结果 (a)3.45GHz 电流分布 (b)4.9GHz 电流分布 图 7 天线单元工作时电流分布图 2 MIMO 天线仿真分析和实验测试 为了更好 地分析八单元双频 MIMO 天线系 统的性能，根据图 1 中给出的尺寸制作了天线模 型，图 8 为天线加工的实物图。图 9 给出了此八 单元 MIMO 天线系统仿真和实测的 S 参数，由于 天线具有对称结构，图中只给出了必要的结果。 从图 9 中可以看出，天线系统可以很好地覆盖 3.3~ 3.6GHz 和 4.8~5GHz 两个频段，天线 1 测量得到 的 6dB 阻抗带宽为 3.22~3.69GHz(13.6%)和 4.78~ 5.12GHz (6.8%)，天线 2 测量得到的天线 6dB 阻抗 带 宽 为 3.2~3.82GHz(17.6%) 和 4.52~5.08GHz (11.6%)，天线之间的隔离度优于 15dB。图 10 给 出了天线系统仿真和实测的天线总效率，此双频 MIMO 天线在 3.3~3.6GHz 频段内的天线效率高于 61%，在 4.8~5GHz 频段内的天线效率高于 50%。 图 11 给出了天线 1 和天线 2 在低频和高频工作时 的 3D 方向图，此结果是由 CST 仿真得到的。从 图中可以看出，天线 1 和天线 2 工作时的辐射方 向图差异很大，这是由于各天线相对于地板的位 置不同造成的影响。图 12 给出了天线 1 和天线 2 在 xoz 面的 2D 方向图，从图中可以看出，仿真结 果和实测结果具有良好的一致性。 图 10 MIMO 天线总效率仿真和测试结果 天线 1 (3.45GHz) 天线 2 (3.45GHz) 天线 1 (4.9GHz) 天线 2 (4.9GHz) 图 11 MIMO 天线 3D 方向图
    天线 1 (3.45GHz) 天线 2 (3.45GHz) 天线 1 (4.9GHz) 天线 2 (4.9GHz) 图 12 MIMO 天线 xoz 面的 2D 方向图 包络相关系数(ECC)是评价 MIMO 系统的一 种重要参数，它衡量了 MIMO 系统中的信道独立 性水平。我们假设信道传播模型为均匀分布，且 水平极化和垂直极化两个方向的入射波是各向同 性的（交叉极化比 XPR = 0dB,入射波函数服从均 匀分布，即 Pθ=Pφ=π/4，其中 Pθ 和 Pφ 是入射波分 布函数的 θ 和 φ 分量)，来简化 ECC 公式[10-12]。所 得 ECC 计算公式为: ECC(i,j)= (1) 其中， Ai,j(θ,φ)=Eθ,i(θ,φ)· E* θ,i(θ,φ)+ Eφ,i(θ,φ)· E* φ,i(θ,φ) (2) 复合辐射远场数据 Ai,j(θ,φ)可以通过 CST 软件 仿真或暗室测量获得。计算所得 ECC 如图 13 所 示，从图中可以看出，仿真得到的 ECC1,2、ECC1,3 和 ECC2,3 均小于 0.04，其它更小的值未在图中给 出，而测试得到的 ECC 数据也均小于 0.1，所以， 所提出的 MIMO 天线具有很好的分集特性。 图 13 MIMO 天线包络相关系数 信道容量是衡量 MIMO 天线系统的关键参 数，根据文献[13]，在计算 MIMO 天线的信道容 量时，天线效率应该计入运算。即遍历信道容量 可以表示为： 其中，信道矩阵 Hscale 为： (3) (4) (5) 式中，nT 是发射天线的个数，I 是单位矩阵，Hi.i.d 是独立同分布的复高斯随机变量 8×8 矩阵，ηtotal 是天线总效率，ρRX 是接收端天线包络相关系数， 这里假设发射端天线是非相关且无损的，信道为 独立同分布的瑞利衰落信道，发射功率分配形式 为等功率分配，且接收信噪比（SNR）为 20dB[14]。 图 14 给出了所提双频 8×8 MIMO 天线的信道容 量，此结果是使用测量得到的天线总效率和包络 相关系数作为接收端，求 10000 个随机信道容量 样本的期望得到的。从图中我们可以看出，此 MIMO 天线在低频可以实现 35.2~36.8bps/Hz 的信 道容量，在高频的信道容量大于 30bps/Hz，而理 想 8×8 MIMO 系统的信道容量为 44bps/Hz。 图 14 8×8 MIMO 信道容量
    3 MIMO 天线隔离度分析 为更好地比较 MIMO 天线的方向对隔离度的 影响，本文提出了 2 种新的天线位置布局。图 15(a) 为本案天线的排布形式，(b)和(c)为两种新的排布 方式，三种方案的天线位置相对于主基板的位置 相同，但方向不同。图 16 给出了 3 种不同排布形 式的隔离度，从图中可以看出，方案 1 的隔离度 均好于 15dB，而方案 2 中 S23 在低频处仅为 9.4dB， 而 S12 也只有 12.5dB。在方案 3 中，虽然 S23 在低 频和高频都可以达到 15.7dB，S12 在低频却只有 10dB。所以，在此种形式的八单元 MIMO 系统中， 方案 1 是保证天线间隔离度平衡的最佳选择。 [1] Andrews J G, Buzzi S, Choi W, et al. What will 5G be?[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2014,32(6):1065-1082 [2] 黄韬, 袁超伟, 杨睿哲, 等. MIMO 相关技术与应用 [M]. 北京：机械工业出版社，2007. 54 Huang T, Yuan C W, Yang R Z, et al. MIMO techniques and its application[M]. Beijing: China Machine Press, 2007. 54 [3] 颜罡, 杜正伟, 王蔷, 等. MIMO 天线方向图的辐射 鲁棒性设计[J]. 微波学报, 2007, 23(6):10-16 Yan G, Du Z W, Wang Q, et al. MIMO antenna design for radiation pattern[J]. Journal of Microwaves, 2007, 23(6):10-16 (a)方案 1 即本案天线 (b)方案 2 (c)方案 3 [4] Wong K L, Tsai C Y, Lu J Y. Two asymmetrically mirrored gap-coupled loop antennas as a compact building block for eight antenna MIMO array in the future smart phone[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2017, 65:1765-1778 [5] Xu H, Zhou H, Gao S, et al. Multimode decoupling 图 15 八单元双频 MIMO 天线系统示意图 technique with independent tuning characteristic for mobile terminals[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2017, 65: 6739-6751 [6] Li M Y, Ban Y L, Xu Z Q, et al. Eight-port orthogonally dual-polarized antenna array for 5G smartphone applications[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2016, 64: 3820-3830 [7] Zhao A P, Ren Z Y. MIMO antenna system with self-isolated antenna element for 5G mobile terminals[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2019, 61: 20-27 [8] Ban Y L, Li C, Sim C Y D, et al. 4G/5G multiple antennas for future multi-mode smart-phone applications[J]. IEEE Access, 2016, 4: 2981-2988 [9] CST User Manual (2018), https://www.cst.com [10] Zhao X, Yeo S P, Ong L C. Decoupling of inverted-F antennas with high-order modes of ground plane for 5G mobile MIMO platform[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2018, 66 (9):4485-4495 [11] Taga T. Analysis for mean effective gain of mobile antennas in land mobile radio environments[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 1990, 39(2): 图 16 三种 MIMO 天线布局的隔离度 4 结 论 本文提出了一种应用于第五代移动通信终端 的双频八单元 MIMO 天线系统，它能够覆盖 5G 的 3.3~3.6GHz 和 4.8~5GHz 两个频段，且相邻天 线间隔离度优于 15dB。根据仿真模型制作并测试 了天线实物，测量结果和仿真结果有很好的一致 性。由于所提天线方案能够覆盖 5G 系统所使用的 两个频段，且具有良好性能，因此它是一种很好 的 5G 移动终端 MIMO 天线解决方案。 参 考 文 献 117-131
    [12] Li M Y, Xu Z Q, Ban Y L, et al. Eight-port orthogonally dual-polarized MIMO antennas using loop structures for 5G smart-phone[J]. IET Microwaves, Antennas and Propagation, 2017,11:1810-1816 [13] Yun J X, Vaughan R G. Multiple element antenna efficiency and impact on diversity and capacity [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2012, 60: 529-539 [14] Wong K L, Lu J Y, Chen L Y, et al. 8-Antenna and 16-antenna arrays using the quad-antenna linear array as a building block for the 3.5 GHz LTE MIMO operation in the smart phone[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2016, 58: 174-181 虞成城 男，1964 年生，硕士，高级工程师。主要研究方 向：MIMO 天线，毫米波阵列天线。 E-mail: chengcheng.yu@sz-sunway.com 任周游 男，1991 年生，硕士，工程师。主要研究方向： MIMO 天线，毫米波阵列天线，NFC 天线等。 E-mail: zhouyou.ren@sz-sunway.com 赵安平 男，1963 年生，博士，IEEE Senior Member。主 要研究方向：MIMO 天线，毫米波阵列天线，NFC 天线等。 E-mail: anping.zhao@sz-sunway.com
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