1、前言

無線通信正朝著大容量、高傳輸率和高可靠性的方向發(fā)展。近年來，頻率資源的嚴(yán)重不足已經(jīng)成為遏制無線通信發(fā)展的瓶頸。多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)無需要額外的發(fā)射功率和頻譜資源，就可以極大地提高無線通信系統(tǒng)的容量，故MIMO技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱門課題，是眾多方法中很有潛力和優(yōu)勢的一項(xiàng)技術(shù)。而小型的，適用于手機(jī)系統(tǒng)中的MIMO天線的設(shè)計(jì)是MIMO無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵的、難以攻克的技術(shù)之一。

與傳統(tǒng)手機(jī)天線相比較，手機(jī)MIMO天線設(shè)計(jì)更加困難，這是因?yàn)槭謾C(jī)系統(tǒng)中可被MIMO天線利用的空間有限。將多個(gè)天線集成在有限的空間中，天線單元間會存在很強(qiáng)的互耦。強(qiáng)烈的互耦會導(dǎo)致MIMO天線輻射功率變小，MIMO系統(tǒng)的性能下降，故減小互耦是手機(jī)MIMO天線設(shè)計(jì)的一大難點(diǎn)。傳統(tǒng)天線設(shè)計(jì)方法是由設(shè)計(jì)師根據(jù)天線的分析理論以及自己的經(jīng)驗(yàn)通過編程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的方法來確定天線各參數(shù)的初始值，得到計(jì)算理論上的模型后，再根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步調(diào)整設(shè)計(jì)。對手機(jī)MIMO天線設(shè)計(jì)而言，這種傳統(tǒng)手機(jī)設(shè)計(jì)方法幾乎行不通，因?yàn)槭謾C(jī)MIMO天線單元間的互耦無法根據(jù)公式事先設(shè)計(jì)。HFSS軟件的出現(xiàn)，使得設(shè)手機(jī)MIMO天線的設(shè)計(jì)變得可實(shí)現(xiàn)而且簡便快捷、準(zhǔn)確。通過對仿真模型的優(yōu)化改進(jìn)，就可以設(shè)計(jì)出滿足電氣性能的MIMO天線，避免了不必要的重復(fù)加工測試費(fèi)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，HFSS的功能更加完善、界面更加人性化，建模更加簡單，仿真、優(yōu)化功能和速度也不斷在改進(jìn)。

本文就是利用HFSS11軟件對手機(jī)MIMO天線進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真和優(yōu)化。本文利用HFSS11，設(shè)計(jì)出一種兩單元小型雙頻手機(jī)MIMO天線。該天線由兩個(gè)相同的、相互垂直的、由兩條金屬帶組成的單元天線組成，單元天線的尺寸僅僅為15×10.5×0.8mm3。天線的低頻帶寬為1.62-3.6GHz（|S11|≤-10dB，|S21|≤-13dB），高頻帶寬為4.44-5.92GHz（|S11|≤-10dB，|S21|≤-17dB）。

2、小型雙頻手機(jī)MIMO天線設(shè)計(jì)

天線的設(shè)計(jì)首先要建立模型，根據(jù)天線理論首先設(shè)計(jì)出天線模型的初始模型，接著就可以直接在HFSS的編輯環(huán)境中建模，同時(shí)設(shè)置材料特性，定義端口和邊界條件，然后設(shè)定工作頻率等等，這些在此不再詳述。本文所提出的手機(jī)MIMO天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖2是該手機(jī)MIMO天線在HFSS中的建模。圖1中所示的天線尺寸為在HFSS中優(yōu)化后的值。

如圖1所示，該MIMO天線由兩個(gè)該天線由兩個(gè)相同的、相互垂直的單元天線組成，單元天線的尺寸僅僅為15×10.5×0.8mm3。每個(gè)天線單元由兩個(gè)分別印制在基板兩面的輻射金屬帶組成。金屬帶的重疊部分形成雙帶線結(jié)構(gòu)，它能給電感性的天線引入部分電容，從而改善天線的阻抗帶寬。兩個(gè)天線單元分別向不同的方向傾斜45度，這是為了減小天線近場所引起的互耦。尺寸為47×45mm2的地板上刻有一條細(xì)縫（1×13.6mm2），該細(xì)縫的作用是為了減小兩天線單元間的，由于地板表面電流引起的互耦。

3、仿真與測試結(jié)果

圖3為該天線的S參數(shù)測試與HFSS12.0仿真比較圖。從圖中可見，天線的S參數(shù)的測試與仿真結(jié)果非常吻合。該MIMO天線的低頻帶寬為（|S11|≤-10dB，|S21|≤-13dB）1.62-3.6GHz，覆蓋了DCS-1800、PCS-1900、IMT-2000/UMTS、2.5-GHzWLAN2.5/3.5-GHzWiMAX,高頻帶寬為（|S11|≤-10dB，|S21|≤-17dB）4.44-5.92GHz覆蓋了5.2/5.8-GHzWLAN和5.5-GHzWiMAX。

分析電流分布圖是研究MIMO天線單元間互耦的方法之一，圖4為該手機(jī)MIMO天線在高低頻的中心頻率處的電流分布圖。根據(jù)地板表面電流和激勵(lì)天線單元在非激勵(lì)天線單元上誘發(fā)的耦合電流，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整地飯細(xì)縫的尺寸，則可以改變地板表面電流的分布，減小非激勵(lì)天線單元上的耦合電流，從而減小天線單元間由于表面電流引起的互耦。為了證明天線單元的垂直放置有利于減小天線近場引起的互耦，圖5給出了兩個(gè)帶傳統(tǒng)地板的MIMO天線的S參數(shù)比較圖，其中一個(gè)MIMO天線的兩個(gè)天線單元垂直放置，另外一個(gè)MIMO天線的兩天線單元平行放置。觀察圖5可以知道，在天線的低頻工作帶寬內(nèi)，天線單元的垂直放置使得隔離度提高了2.2dB。由此可以知道，借助HFSS在仿真階段找到合適的去耦方法，從而避免盲目加工測試帶來的資源和時(shí)間浪費(fèi)。

在設(shè)計(jì)天線的時(shí)候應(yīng)當(dāng)考慮到天線的性能是否穩(wěn)定，位于天線附件的電氣元件對天線性能有怎樣的影響，而且這些影響在仿真設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該弄清楚，然后在測試過程中加以驗(yàn)證。利用HFSS軟件，圖6給出了在MIMO天線附近放置一個(gè)金屬盒的模型已經(jīng)該金屬盒對MIMO天線S參數(shù)的影響。從該圖可以看到該MIMO天線對放置在其附近的電氣元件有比較強(qiáng)的魯棒特性，即天線的性能穩(wěn)定。

圖7為MIMO天線的測試與仿真二維輻射方向比較圖，從圖中可以看到，實(shí)測結(jié)果與HFSS的仿真結(jié)果非常吻合。故可以證明HFSS的仿真結(jié)果十分準(zhǔn)確。同時(shí)還可以觀察到天線在H面具有較好的全向輻射性能，天線單元1的增益的最小值出現(xiàn)在+Y軸的±45o內(nèi)，這是因?yàn)樘炀€單元2位于天線單元1的+Y軸方向。天線單元1和2沿著XOY面對稱，故天線單元2的輻射方向圖與天線單元1的輻射方向圖也就沿著XOY面對稱，即是天線單元2的增益的最小值出現(xiàn)在-Y軸的±45o內(nèi)，因?yàn)樘炀€單元1位于天線單元2的-Y軸方向。這種特性，有利于進(jìn)一步減小天線單元間的互耦。

4、結(jié)論

本文通過對手機(jī)MIMO天線的設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)，HFSS12.0軟件能很好地為MIMO天線工程設(shè)計(jì)提供幫助,使得MIMO天線設(shè)計(jì)簡單、快捷、低成本，還可以幫助天線設(shè)計(jì)人員了解、分析天線單元間的互耦，以便尋找合適的去耦方法。HFSS12.0軟件三維建模及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換讀取功能強(qiáng)大，仿真結(jié)果與天線的實(shí)測結(jié)果基本一致，從而大大提高了工作效率和設(shè)計(jì)的成功率。