面向5G高隔离度4单元MIMO手机天线设计

设计了一个4单元高隔离度手机天线，由4个辐射单元组成，辐射单元分别位于天线的4个角落。对天线辐射单元进行分析测试，测量天线辐射单元工作频段为3.43 GHz～3.86 GHz，覆盖5G移动通信测试频段。MIMO天线工作频段在端口回波损耗小于-10 dB阻抗带宽条件下，工作频段为3.45 GHz～3.64 GHz；在端口回波损耗小于-6 dB阻抗带宽条件下，天线工作频段为3.23 GHz～3.96 GHz。新设计的圆形开槽结构能减少天线和电子元器件耦合，并且天线具有良好的全向性和辐射特性。MIMO天线在3.2 GHz～4 GHz频率内，天线辐射效率为65%～73.4%。仿真表明，脑部辐射SAR(Specific Absorption Rate)参数小于1.6 W/kg，天线对人体影响较低。 本文探讨了针对5G通信设计的一种高隔离度4单元MIMO手机天线，该天线由四个辐射单元构成，分布在天线的四个角落，旨在优化通信质量和提高数据传输速率。MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术是现代无线通信中的核心技术，它通过使用多个发射和接收天线来提升系统的容量和可靠性，对于5G通信尤其关键。 在5G的Sub-6 GHz频段中，主要测试频段包括2.5 GHz至2.675 GHz、3.4 GHz至3.8 GHz以及4.8 GHz至4.9 GHz。在中国，电信和联通运营商分别在3.4 GHz至3.5 GHz和3.5 GHz至3.6 GHz之间进行5G测试。因此，设计一个在这些频段内高效工作的MIMO天线至关重要。 设计的天线工作频段在端口回波损耗小于-10 dB的阻抗带宽下为3.45 GHz至3.64 GHz，而在回波损耗小于-6 dB的条件下，工作频段扩展至3.23 GHz至3.96 GHz。此设计采用圆形开槽结构以减少天线与其他电子元件间的耦合，同时保持良好的全向性和辐射特性。在3.2 GHz至4 GHz频率范围内，天线辐射效率为65%至73.4%，确保了能量的有效传输。 为了评估天线对人体健康的影响，文中还提到了SAR（Specific Absorption Rate），即单位时间内人体组织吸收的电磁能量。仿真结果显示，天线产生的脑部SAR值小于1.6 W/kg，远低于安全标准，表明该天线设计对人体辐射影响较小。 在天线单元的设计过程中，选择了介电常数为4.4的FR-4基板，天线尺寸为30 mm x 30 mm x 1.5 mm，镀铜厚度为0.1 mm。通过HFSS软件进行仿真，这是一种适用于小尺寸窄带天线的精确仿真工具。天线加工采用电印刷方法，经过实际测试，测量的S11参数与仿真结果吻合，证明了天线设计的合理性。 此外，通过暗室测试验证了天线的方向图，显示E面呈哑铃型分布，H面则为全向辐射，证实了天线的全向特性。天线辐射效率的测试结果表明，外置测试条件下的最高效率可达70.8%，最低效率为57.6%，符合工程应用的标准。 在MIMO天线设计中，除了辐射性能，还需要关注天线间的隔离度。隔离度是衡量不同天线单元间相互影响的指标，低隔离度可能导致信号干扰。ECC（Envelop Correlation Coefficient）用于评估MIMO系统中各天线单元接收信号的相关性，其值越小，表示分集增益越大，通信性能更优。因此，天线设计时需考虑ECC的计算和优化，以确保MIMO系统的性能。 该研究提出的4单元MIMO手机天线设计满足5G通信的频段需求，具有高隔离度、全向辐射特性和较低的对人体辐射，为5G设备的天线设计提供了有价值的参考。