论文总字数：20154字

目 录

第一章 绪论 1

1.1手机MIMO天线的研究背景及意义 1

1.2手机MIMO天线的发展历史及近况 1

1.3各模块介绍 3

1.3.1手机天线介绍 3

1.3.2多端口MIMO天线的去耦方式 3

1.4本文的研究内容 5

第二章 天线概述 7

2.1 引言 7

2.2 天线的基本参数 7

2.2.1天线带宽BW 7

2.2.2天线的输入阻抗 7

2.2.3天线的回波损耗RL和电压驻波比VAWR 8

2.2.4天线的辐射方向图 8

2.2.5天线方向系数和增益Gain 8

2.3 MIMO技术简介 9

2.4 MIMO技术的优点和一些挑战 10

2.4.1提高信道的容量 10

2.4.2提高信道的可靠性 10

2.4.3覆盖范围广 10

2.4.4面临的挑战 10

2.5 MIMO天线系统常用参数 11

2.5.1隔离度 11

2.5.2效率 11

2.5.3相关系数 11

2.5.4平均有效增益MEG 12

第三章 Ansoft HFSS 仿真软件 14

3.1参数化建模 14

3.2分析设置 15

3.3结果分析与优化 16

3.4本章小结 16

第四章 手持终端MIMO天线设计 17

4.1 天线结构设计以及分析 17

4.2 单个天线仿真结果 17

4.3多个天线单元分析结果 19

第五章 总结与展望 24

5.1本文的主要工作 24

5.2未来的工作展望 24

参考文献： 25

致 谢 27

第一章 绪论

1.1手机MIMO天线的研究背景及意义

移动通信技术从上个世纪八十年代开始得到了快速发展，手机等移动终端设备已经在人们的生产生活中得到了广泛的应用，手机既可以实现便捷的移动通信服务，还可以进行数据的收发。现在，人们对手机的要求是大屏幕、智能化、超薄化以及集成化。这些特点虽然给用户提供了方便和时尚，但是也对手机天线设计提出了更大的挑战。天线性能的优劣很大程度上直接决定手机的电气性能。而且，天线是收发移动信号的载体，对于手机终端而言，是不可或缺的，所以研究和设计性能优越的手机天线具有重要的现实意义。

传统理论一直认为多径传播是一种对信号传输不利的因素，这是因为延时不同，多径信号副本之间会相互叠加，从而产生具有破坏性的干扰，进而导致链路的性能不稳定。这些年来逐渐发展的MIMO技术提出了一种新的观点，指出分别在发射和接收端口设置多副天线（如图1所示）^[1] ，就可以利用多径效应，借以提高链路的性能。MIMO技术的本质是将空间分集增益与空间复用增益提供给整个天线系统。如果要提高信道容量，则可以采用提高空间复用增益的方法，如果要提高信道的可靠性，即降低误码率，则可以采用提高空间分集增益的方法。因而MIMO天线在MIMO无线通信系统中的地位举足轻重。

图1 天线结构图

1.2手机MIMO天线的发展历史及近况

1983年，摩托罗拉公司推出了第一款商业手机DynaTAC 8000X（如图2a），这款手机体积庞大，电池续航能力弱，而且价格昂贵，它使用的天线是外置的单极子天线，不方便携带。90年代初，摩托罗拉公司推出了改进版本MOTO3200（如图2b），它体积小，容易携带，采用拉杆式的天线设计，但是，这种设计不便使用而且容易损坏手机天线，降低可靠性。1997年，汉诺佳CH9771手机出现（如图2c），它采用内置天线，使内置天线成为手机设计的主流，这之后，诺基亚凭借一系列天线内置的手机获得了成功。数字技术的迅猛发展，让数字手机系统逐渐取代了模拟手机，而手机用户的逐渐增加也使得原本就有限的频率资源更加紧张，，更多频段的开放扩大了频率使用范围，增加使用用户，获取更大的网络支持^[2]。出现的第一款双频手机是NOKIA6150，兼容GSM900MHz/1800MHz网络（如图2d），多频手机的出现要求手机天线设计更大带宽和更多频带。

1. (b) (c) (d)

图2 （a）DynaTAC 8000X;(b) MOTO3200;(c) 汉诺佳CH9771;(d) NOKIA6150

进入二十一世纪，国内的无线通信事业迅猛发展，紧跟着世界潮流，出现了一批像华为中兴这样的通信设备制造民族企业，同时国内的TD-SCDMA成为第三代移动通信的自主标准，成为世界三大主流标准之一，4G网络也使用演进的TD-LTE技术^[2]。除此以外，华为主导的polar码成为5G标准的重要角色，更加进一步稳固了中国在无线通信领域的地位。手机可以说是无线系统最重要的用户接口之一，早已经是全球市场和技术争夺的热点，面对国内巨大的手机需求，国内的手机厂商积极加入产品研发和市场化经营。

就目前看来，对MIMO系统的研究已经有了巨大的成果，并且有大量的论文被发表在各种期刊上，这些论文的内容和范围都比较广，但是对于MIMO系统而言，这些文献所研究的内容只是九牛一毛，仍然有大量问题需要解决。

理论上，MIMO通信系统的容量可以达到单天线系统min(NT,NR)倍^[4-10]，突破单天线系统固有的缺陷—Shannon容量限制^[11]。 NT表示无线通信系统发射的天线数目、NR表示接收端的天线数目。

1.3各模块介绍

1.3.1手机天线介绍

现今社会对无线通信的要求逐渐趋于高传输率、大容量和高可靠性，这直接导致MIMO技术越来越受到重视，MIMO技术的研究也越来越趋于小型化、高隔离度、宽频带。在已有的文献中，天线数量从2个到8个不等，但主要是以2个和4个为主。八天线主要有尺寸过大，不适用于移动终端的问题，因而八天线的论文少之又少。MIMO天线必须要宽带化和小型化，而且每个天线单元辐射特性都良好，才可以应用于无线设备。

任何单个天线单元的辐射特性都会对整个系统的特性产生影响，所以单个天线单元的性能优劣往往决定了系统的性能，因此要尽量缩小单个天线单元的尺寸，在保持天线尺寸足够小的同时，还要保证天线单元的性能较好。与普通的小型天线相比，为了能够达到提高天线空间分集的性能和能够接受各个方向电磁波的目的，天线单元往往既要具有一定的方向性，也要在H面具有全向性。因此，设计出同时满足以上条件的MIMO天线十分困难。

MIMO天线单元一般采用单极子^[14-16]、可重构天线^[17-18]和PIFA天线^[19-23]。而对于天线间的隔离度，要求天线间的耦合越小越好。

1.3.2多端口MIMO天线的去耦方式

MIMO天线单元间去耦非常重要，近年形成的各类去耦方法包括：

1、地板缝隙去耦

在地板上开细缝(槽)是一种能够有效减少地板表面波引起的互耦的简单、有效的方法，其容易实现、成本低。

在地面开缝能够有效地干扰地表的电流分布，遏制馈电端口和地面间的耦合，从而有效的降低天线单元间的耦合。但是实际应用中在地面开缝可能会影响除了天线以外其他电路元件的性能，而且会导致天线辐射的能量从缝隙中泄漏出去，从而导致辐射效率降低。

在地面上的插槽可以抑制馈电端口和地面之间的耦合以及干扰地表的电流分布，从而能够降低天线单元之间的耦合。然而，地面上的缝隙可能会影响其他电路元件的性能，并会导致天线辐射的能量泄漏，从而导致较低的辐射效率。

图3 细缝结构及电流分布^[24]

2、地板枝节去耦

通过在各个天线单元的地板上插入额外的枝节，引入新的耦合路径，听哦年回国该路径来抵消各个天线单元之间的耦合的方法被称为地枝结构解耦。采用地枝结构解耦需要考虑以下的问题：

(1).地枝结构在地板上的位置；

(2).地枝结构的形状。

3、增加寄生单元

我们也可以采用増加寄生单元的数量的方法来提高隔离度。因此受激天线、寄生单元和系统中其他天线单元有耦合，而且寄生单元和非激天线单元也有耦合。

为了能够达到提高隔离度的目的，就要设法使这两种耦合产生的电流互相抵消，即相位相反。不过，这种方法在降低天线耦合且不增加天线的欧姆损耗的同时，增加的寄生单元会消耗天线能量，降低辐射效率。

4、改变辐射方向图和极化方式

MIMO天线单元的辐射方向的改变是最有效的降低天线间的耦合的方法。这种方法是将两个天线单元垂直放置，由于没有增加其他的部分，理论上两个天线互不相干，隔离度由此提高。

5、增加中和线

中和线是指一条连接两天线单元的细长微带线，该线的作用是提供一条与原来的耦合路径相反的一条路径，减少耦合。该法结构简单，去耦效果与中和线的长度和宽度以及天线单元的形状有关。如图所示：

图4 中和线去耦型天线^[25-26]

6、增加去耦网络和匹配网络

实验表明在可以通过在近距离天线单元之间增加解耦网络来提高天线的隔离度。这种方法对窄带天线效果更显著，但是由于增加去耦网络会增加天线的尺寸，所以不太适用于移动终端。

1.4本文的研究内容

本文的天线单元是E型天线，建立在尺寸为10mm*17mm*0.8mm的FR4基板上，基板介电常数为4.4，损耗正切为0.02。该天线宽频带、小型化，且在无去耦电路的情况下隔离度较好。

本文的主要内容安排如下：

第一章是绪论。概述了本文的的研究背景和研究意义，还介绍了海内外研究历史和现状。

第二章是天线概述。主要介绍了如何评估天线性能和MIMO天线的特有参数以及手持终端中常用的天线。除此以外本章还介绍了MIMO技术的应用、优缺点和一些面临的挑战。

第三章主要介绍了如何利用Ansoft HFSS 仿真软件进行天线的仿真设计，主要包括如何建立模型、如何设置各种参数、如何进行性能优化以及分析结果。

第四章介绍了一种手持终端MIMO天线设计。设计并讨论了一种小型化和宽带MIMO天线系统，讨论了天线数目和天线位置对天线性能的影响。

第五章是总结及展望。概括了本文的研究内容和不足，并对后续的研究进行了展望。

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