用于MIMO系统的三频段天线阵设计

    每天都有新的用户对服务和数据传输速度提出新的要求。多频天线的发展已成为扩展手机性能的一种通用方法，而MIMO技术可提高手机的传输性能。目前多是使用PIFA作为手机的内置天线。一些文献专注于设计多频天线。另外一些文献致力于减少天线的耦合。当天线工作于不同的频率时，尽管天线之间的距离很近，依然可以获得很好的隔离度。在文献中，在典型的移动电话PCB上，两个PIFA天线分别工作在GSM 900和DCS1800上，在馈电点插入高Q值的LC电路可以形成一个在工作频段内使彼此隔离的滤波器，这个方法可以有效地去耦合提高效率，但会减小带宽。当天线工作在同一频率时，无法使用LC电路去耦，这时需要采用其他方法。EBG可以抑制天线之间的表面波，地板附加措施可以抑制地板表面的电流。文献提出了一个新的观点：通过计算，使用传导电流补偿极化电流。在文献中，一种悬空的，和两个天线相连的连接带可以用来提高天线的隔离度。这条微带线通过将天线的某些能量转移到另外的天线达到抵消耦合影响的目的。

　　在介绍如何去耦的文献中，多为单频天线，这是因为单频天线结构简单，实现去耦相对容易。另外一些文献介绍的天线大多工作在高频，高频天线结构尺寸小，所以相同情况下，高频天线的耦合要小很多。本文侧重研究多频天线，特别是覆盖较低工作频段的多频天线，其中介绍的天线阵实现3个频段（885～915 MHz，1 760～1 870 MHz和2 450～2 510 MHz）的工作特性，最低频段可以覆盖到900 MHz，并给出了多频天线的工作特性。

　　1 天线设计

　　由于手机尺寸有限，需选择尺寸小的三频天线作为天线单元。这里选择D.Kim在文献里介绍的一款3频天线。如图1所示，有两种方法放置天线。当短边相邻时，虽然天线的间距较小，但是它们的隔离度更高。一个简单的解释是由于PIFA天线上的电流和电压分布。在天线的开路端，电流为零，电压和电量最大。如果天线的开路段很近，如图1（b）所示，那么它们之间就会有很强的电磁耦合。

图1 放置天线的两种方法

图2 两种放置天线的S参数

图3 天线被连接带相连时的俯视图

表1 连接带的设计参数

　　虽然选择了最好的方式来放置天线，但耦合依然很大。一种方法是使用悬空且和两个天线相连的连接带来减小耦合。天线的S参数特性如图4所示，可以看出连接带可明显降低天线的耦合度。图5～图7所示给出了天线在3个工作频段时的方向图。

图4 天线的S参数特性

图5 低频频段的方向图（f=0.9Ghz）

图6 中频频段的方向图（f=1.8Ghz）

图7 低频频段的方向图（f=2.45Ghz）

　　另外一种是使用FR4材料以及小地板来减小耦合，天线结构如图8所示，天线阵的S参数仿真结果如图9所示。可以看出，在整个工作频段内，天线阵实现了低于15 dB的隔离度，并实现了较好的匹配效果。

图8 使用FR4材料以及小地板的天线阵

图9 天线阵的S参数仿真

　　2 结束语

　　本文介绍一个可用于MIMO的二元PIFA天线阵，其中每个天线单元工作于3个频段。提出了两种方法来减小天线间的隔离度。一种是使用悬空且和两个天线相连的连接带。另外一种是使用FR4材料以及小地板。仿真结果显示，在工作频带内可以获得15 dB的隔离度而不明显影响辐射单元方向图。