移動(dòng)終端未來(lái)天線設(shè)計(jì)概述

一、引言

多年來(lái)，移動(dòng)終端的天線設(shè)計(jì)已經(jīng)變得越來(lái)越困難。這主要是由于這類設(shè)備的空間有限，無(wú)法容納具有寬頻帶和多頻帶要求的多根天線。即將到來(lái)的第五代（5G）無(wú)線通信使這個(gè)問(wèn)題對(duì)移動(dòng)終端天線設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗枰诘陀?GHz的頻段上使用大量的多輸入多輸出（MIMO）天線，以及在毫米波頻段上使用兩個(gè)或三個(gè)天線封裝（AiP）模塊。在這些天線設(shè)計(jì)中，天線必須小型化、布局緊湊、低剖面、重量輕，同時(shí)保持寬帶和多頻段性能。此外，對(duì)于MIMO天線的設(shè)計(jì)，雖然天線放置非常緊密，但天線之間必須保持高度隔離，即使是在同一頻段內(nèi)也是如此。本文對(duì)未來(lái)移動(dòng)終端的天線設(shè)計(jì)進(jìn)行了概述。

二、天線設(shè)計(jì)環(huán)境和要求移動(dòng)終端通常包括智能手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦、移動(dòng)無(wú)線保真（MiFi）、數(shù)據(jù)卡、智能手表、藍(lán)牙（BT）耳機(jī)、路由器、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、智能屏幕、用戶駐地設(shè)備（CPE）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）設(shè)備、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備和汽車。移動(dòng)終端的天線設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)移動(dòng)終端的工業(yè)設(shè)計(jì)（ID）、架構(gòu)、電池容量、通話和待機(jī)時(shí)間、用戶體驗(yàn)、市場(chǎng)準(zhǔn)入、通信能力和法律要求有非常大的影響。人們普遍認(rèn)為，由于智能手機(jī)的時(shí)尚ID、高度集成的架構(gòu)以及與人體的交互，使得智能手機(jī)天線的設(shè)計(jì)成為天線工程師面臨的最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。圖1顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的智能手機(jī)天線設(shè)計(jì)環(huán)境，其包括一個(gè)金屬框架、一個(gè)印刷電路板（PCB）/顯示金屬面板、一個(gè)電池以及一些組件。這些組件包括一個(gè)通用串行總線（USB接口）、一個(gè)用戶識(shí)別模塊（SIM）卡座、一個(gè)音頻視頻（AV）插孔、一個(gè)電源鍵和一個(gè)音量鍵。金屬框架和PCB/顯示器金屬面板之間的間隙通常小于1.0mm，以實(shí)現(xiàn)大的屏占比。在金屬框架和PCB/顯示器金屬面板之間有許多連接點(diǎn)，以便為天線建立接地點(diǎn)。金屬框架可以被切割成一些開口槽，使天線輻射器在一側(cè)形成短路，在另一側(cè)形成開路，以便將天線尺寸從半波長(zhǎng)減少到四分之一波長(zhǎng)，提高天線帶寬和效率。對(duì)于5G智能手機(jī)來(lái)說(shuō)，所需的天線為：

多頻段主天線：長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）/新無(wú)線電（NR）（698~960MHz和1710~2690MHz）；多頻段分集天線：LTE/NR（698~960MHz和1710~2690MHz）；4×4MIMO天線：LTE/NR（1710~2690MHz）；4×4MIMO天線：NR（3300~5000MHz）；全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）天線：GPS/GLONASS/Galileo/BeiDou（1176MHz和1575~1609MHz）；三波段2×2MIMO天線：無(wú)線保真（WiFi）（2400~2484MHz、5150~5350MHz和5725~5825MHz）；三個(gè)雙頻超寬帶（UWB）天線：UWB（6240~6740MHz和7750~8250MHz）；兩個(gè)或三個(gè)毫米波AiP模塊：AiP（24.25~29.50MHz和37.00~43.50GHz）；近場(chǎng)通信（NFC）天線：NFC（13.56MHz）。

圖1.智能手機(jī)的簡(jiǎn)化天線設(shè)計(jì)環(huán)境。PCB：印刷電路板；SIM：用戶識(shí)別模塊；USB：通用串行總線；AV：音頻視頻。

天線總數(shù)為15~20根，如果實(shí)施載波聚合（CA）/E-UTRAN新無(wú)線雙路連接（ENDC）和8×8MIMO，天線總數(shù)還可以進(jìn)一步增加到25~30根。除了需要大量的天線外，所有的天線都必須符合相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，其中包括帶寬、自由空間的效率、手握和頭旁的效率、天線之間的隔離、功率譜密度（PSD）和（人體）特別吸收率（SAR）。由于金屬框架的金屬尺寸和離地位置，其通常被作為大多數(shù)天線的最佳輻射器，特別是對(duì)于中低頻段的LTE/NR主天線和分集天線來(lái)說(shuō)。地面天線，如平面倒F天線（PIFA）、貼片和毫米波AiP模塊，可以放置在PCB/顯示器金屬面板上方或電池蓋的背面；但是，這些天線的工作頻率一般需要高于3.0GHz才能保證良好的性能，因?yàn)檫@些天線的高度通常不超過(guò)1.0mm。此外，光學(xué)透明的天線可以放在移動(dòng)終端的顯示屏上，以減少人體對(duì)天線性能的影響，提高天線輻射模式的覆蓋率。

三、移動(dòng)終端天線的概念

如圖2所示，傳統(tǒng)的移動(dòng)終端天線概念可分為：①倒F天線（IFA）/PIFA；②單極天線；③環(huán)形天線；④復(fù)合右手和左手（CRLH）啟發(fā)式天線；⑤單極槽天線。這些天線的工作原理在參考文獻(xiàn)[7?8]中都有詳細(xì)的記載。除了傳統(tǒng)的概念外，可重構(gòu)天線——主要是頻率可重構(gòu)天線——已被廣泛用于移動(dòng)終端天線設(shè)計(jì)，以擴(kuò)大其阻抗帶寬。具有模式和偏振可重構(gòu)功能的天線在MIMO應(yīng)用中也變得越來(lái)越引人注意。圖2.傳統(tǒng)的移動(dòng)終端天線的概念。IFA：倒F天線；PIFA：平面倒F天線；CRLH：復(fù)合右手和左手。

與基站、機(jī)載雷達(dá)和許多其他類型的通信設(shè)備的天線設(shè)計(jì)不同，很少有系統(tǒng)的理論和復(fù)雜的方法來(lái)設(shè)計(jì)移動(dòng)終端的天線，即使這項(xiàng)任務(wù)變得越來(lái)越復(fù)雜和具有挑戰(zhàn)性，特別是對(duì)于未來(lái)的移動(dòng)終端。原因是廣泛使用的移動(dòng)終端天線作為共模（CM）運(yùn)行，具體如圖2所示。這些共模天線主要通過(guò)其“環(huán)境”進(jìn)行輻射，即直接和間接連接到天線的金屬部件，如PCB和整個(gè)移動(dòng)終端內(nèi)的所有金屬部件。與其他任何與主導(dǎo)差分模式（DM）相關(guān)的天線相比，在移動(dòng)終端天線設(shè)計(jì)中利用CM的主要優(yōu)點(diǎn)包括更小的天線尺寸、更大的輻射孔徑、更寬的阻抗帶寬和更高的輻射效率。其缺點(diǎn)是難以控制天線輻射模式。但是，由于移動(dòng)終端的方向可以是任意的，因此在移動(dòng)終端天線設(shè)計(jì)中，天線輻射效率比天線輻射模式更關(guān)鍵。這反映在所需的空中（OTA）性能上，包括總輻射功率（TRP）和總輻射靈敏度（TRS），它們分別由無(wú)線電頻率（RF）前端的傳導(dǎo)功率和傳導(dǎo)靈敏度與天線輻射效率共同定義。由于引入了CM和“環(huán)境”輻射，移動(dòng)終端天線設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和難度都顯著增加。

如第2節(jié)所述，對(duì)于智能手機(jī)的天線設(shè)計(jì)，必須在一個(gè)非常有限的空間內(nèi)安排非常多的天線。這個(gè)問(wèn)題的傳統(tǒng)解決方案是采用雙工器和多工器來(lái)設(shè)計(jì)覆蓋寬頻帶和多頻帶的單饋共輻射器天線。除了上述天線概念外，最近還提出了用于設(shè)計(jì)移動(dòng)終端的單饋寬頻和多頻帶天線的CM和DM概念。所提出的天線最突出的特點(diǎn)之一是在天線設(shè)計(jì)中同時(shí)采用CM和DM。這個(gè)提出的天線概念定義了線CM/DM和槽CM/DM單元天線，其中天線單元必須以不對(duì)稱的方式放置或饋電，以實(shí)現(xiàn)寬頻帶或多頻帶的功能。與移動(dòng)終端天線的所有其他天線概念相比，線型DM和槽型DM，即半波長(zhǎng)偶極子模式和半波長(zhǎng)槽型已被引入，以創(chuàng)造額外的共振，從而增加帶寬。更高階的模式也可以被激發(fā)以進(jìn)一步提高天線的帶寬。由于所提出的線型CM/DM和槽型CM/DM的設(shè)計(jì)方法比傳統(tǒng)方法更加嚴(yán)格和系統(tǒng)，預(yù)計(jì)它將對(duì)未來(lái)移動(dòng)終端的天線設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大影響并得到廣泛的應(yīng)用。

對(duì)于一個(gè)典型的5GNRMIMO天線設(shè)計(jì)，需要兩根工作在相同頻段的天線，同時(shí)，盡管由于設(shè)計(jì)環(huán)境非常擁擠，通常天線的位置很近，但兩根天線之間必須滿足高隔離度。顯然，這種設(shè)計(jì)困難不能通過(guò)利用濾波器、雙工器和復(fù)用器來(lái)規(guī)避。為了節(jié)省天線體積，并在有限的空間內(nèi)放置更多的天線，研究人員提出了將兩根天線設(shè)計(jì)成一對(duì)的概念，并通過(guò)利用互補(bǔ)電流分布的原理獲得良好的隔離效果。為了進(jìn)一步解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員提出了一種正交模式設(shè)計(jì)方法。天線對(duì)中的兩根天線在對(duì)稱位置時(shí)具有正交極化，兩根天線之間實(shí)現(xiàn)了良好的隔離。另一個(gè)主要步驟是在設(shè)計(jì)具有相同頻段和高隔離度的天線對(duì)時(shí)，明確定義了CM/DM的概念，盡管正交極化的特征在某種程度上與參考文獻(xiàn)[13]中相似。但是，在上述提到的所有天線對(duì)中，兩根天線要么是線型，要么是金屬片型。參考文獻(xiàn)[16]中提出了一個(gè)更全面和對(duì)稱的概念。在這個(gè)天線概念中，定義了四個(gè)單元天線：CM線、DM線、CM槽和DM槽。因此，有六對(duì)由四個(gè)單元天線產(chǎn)生的配對(duì)組合。在這六對(duì)組合天線中，有四對(duì)是具有固有高隔離特性的天線對(duì)，這要?dú)w功于它們的正交極化，而另外兩對(duì)天線中，如果將天線對(duì)中的一根天線旋轉(zhuǎn)90°，也能獲得高隔離度。這個(gè)提出的天線設(shè)計(jì)概念大大增加了設(shè)計(jì)5GNRMIMO天線的自由度，即從一自由度增加到六自由度。在參考文獻(xiàn)[17?18]中可以找到六對(duì)組合天線的兩個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例。

常用的UWB天線是具有柔性基底的天線，它被放置在PCB/顯示器金屬面板之上，以低損耗液晶聚合物（LCP）或改性聚酰亞胺（MPI）作為天線基底。UWB天線的設(shè)計(jì)通常是一個(gè)雙頻PIFA或偏移饋電雙頻貼片天線。由于其工作頻率在6000MHz以上，0.3~0.4mm的天線高度足以覆蓋所需的頻段。毫米波AiP模塊的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)相控陣的設(shè)計(jì)類似。通常，一個(gè)AiP模塊是一個(gè)貼片天線陣列或磁電（ME）偶極子陣列，具有正交雙極化的1×4或2×2天線元件。這種天線陣列設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)在于滿足寬頻、多頻、高增益、寬掃描角度、小尺寸和低高度的嚴(yán)格要求。智能手機(jī)中NFC天線的傳統(tǒng)解決方案是與手機(jī)天線共用一段金屬框架輻射器，使用混合分布式/塊狀電感作為低通濾波器。