移動終端未來天線設計概述

一、引言

多年來，移動終端的天線設計已經變得越來越困難。這主要是由于這類設備的空間有限，無法容納具有寬頻帶和多頻帶要求的多根天線。即將到來的第五代（5G）無線通信使這個問題對移動終端天線設計者來說更具挑戰(zhàn)性，因為它需要在低于6GHz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或三個天線封裝（AiP）模塊。在這些天線設計中，天線必須小型化、布局緊湊、低剖面、重量輕，同時保持寬帶和多頻段性能。此外，對于MIMO天線的設計，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也是如此。本文對未來移動終端的天線設計進行了概述。

二、天線設計環(huán)境和要求移動終端通常包括智能手機、筆記本電腦、平板電腦、移動無線保真（MiFi）、數(shù)據(jù)卡、智能手表、藍牙（BT）耳機、路由器、物聯(lián)網（IoT）、智能屏幕、用戶駐地設備（CPE）、增強現(xiàn)實（AR）設備、虛擬現(xiàn)實（VR）設備和汽車。移動終端的天線設計技術對移動終端的工業(yè)設計（ID）、架構、電池容量、通話和待機時間、用戶體驗、市場準入、通信能力和法律要求有非常大的影響。人們普遍認為，由于智能手機的時尚ID、高度集成的架構以及與人體的交互，使得智能手機天線的設計成為天線工程師面臨的最具挑戰(zhàn)性的任務。圖1顯示了一個簡化的智能手機天線設計環(huán)境，其包括一個金屬框架、一個印刷電路板（PCB）/顯示金屬面板、一個電池以及一些組件。這些組件包括一個通用串行總線（USB接口）、一個用戶識別模塊（SIM）卡座、一個音頻視頻（AV）插孔、一個電源鍵和一個音量鍵。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，以便為天線建立接地點。金屬框架可以被切割成一些開口槽，使天線輻射器在一側形成短路，在另一側形成開路，以便將天線尺寸從半波長減少到四分之一波長，提高天線帶寬和效率。對于5G智能手機來說，所需的天線為：

多頻段主天線：長期演進（LTE）/新無線電（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）；全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）天線：GPS/GLONASS/Galileo/BeiDou（1176MHz和1575~1609MHz）；三波段2×2MIMO天線：無線保真（WiFi）（2400~2484MHz、5150~5350MHz和5725~5825MHz）；三個雙頻超寬帶（UWB）天線：UWB（6240~6740MHz和7750~8250MHz）；兩個或三個毫米波AiP模塊：AiP（24.25~29.50MHz和37.00~43.50GHz）；近場通信（NFC）天線：NFC（13.56MHz）。

圖1.智能手機的簡化天線設計環(huán)境。PCB：印刷電路板；SIM：用戶識別模塊；USB：通用串行總線；AV：音頻視頻。

天線總數(shù)為15~20根，如果實施載波聚合（CA）/E-UTRAN新無線雙路連接（ENDC）和8×8MIMO，天線總數(shù)還可以進一步增加到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的設計規(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，特別是對于中低頻段的LTE/NR主天線和分集天線來說。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，因為這些天線的高度通常不超過1.0mm。此外，光學透明的天線可以放在移動終端的顯示屏上，以減少人體對天線性能的影響，提高天線輻射模式的覆蓋率。

三、移動終端天線的概念

如圖2所示，傳統(tǒng)的移動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[7?8]中都有詳細的記載。除了傳統(tǒng)的概念外，可重構天線——主要是頻率可重構天線——已被廣泛用于移動終端天線設計，以擴大其阻抗帶寬。具有模式和偏振可重構功能的天線在MIMO應用中也變得越來越引人注意。圖2.傳統(tǒng)的移動終端天線的概念。IFA：倒F天線；PIFA：平面倒F天線；CRLH：復合右手和左手。

與基站、機載雷達和許多其他類型的通信設備的天線設計不同，很少有系統(tǒng)的理論和復雜的方法來設計移動終端的天線，即使這項任務變得越來越復雜和具有挑戰(zhàn)性，特別是對于未來的移動終端。原因是廣泛使用的移動終端天線作為共模（CM）運行，具體如圖2所示。這些共模天線主要通過其“環(huán)境”進行輻射，即直接和間接連接到天線的金屬部件，如PCB和整個移動終端內的所有金屬部件。與其他任何與主導差分模式（DM）相關的天線相比，在移動終端天線設計中利用CM的主要優(yōu)點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。其缺點是難以控制天線輻射模式。但是，由于移動終端的方向可以是任意的，因此在移動終端天線設計中，天線輻射效率比天線輻射模式更關鍵。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），它們分別由無線電頻率（RF）前端的傳導功率和傳導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，移動終端天線設計的復雜性和難度都顯著增加。

如第2節(jié)所述，對于智能手機的天線設計，必須在一個非常有限的空間內安排非常多的天線。這個問題的傳統(tǒng)解決方案是采用雙工器和多工器來設計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計移動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之一是在天線設計中同時采用CM和DM。這個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稱的方式放置或饋電，以實現(xiàn)寬頻帶或多頻帶的功能。與移動終端天線的所有其他天線概念相比，線型DM和槽型DM，即半波長偶極子模式和半波長槽型已被引入，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的設計方法比傳統(tǒng)方法更加嚴格和系統(tǒng)，預計它將對未來移動終端的天線設計產生重大影響并得到廣泛的應用。

對于一個典型的5GNRMIMO天線設計，需要兩根工作在相同頻段的天線，同時，盡管由于設計環(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，這種設計困難不能通過利用濾波器、雙工器和復用器來規(guī)避。為了節(jié)省天線體積，并在有限的空間內放置更多的天線，研究人員提出了將兩根天線設計成一對的概念，并通過利用互補電流分布的原理獲得良好的隔離效果。為了進一步解決這個問題，研究人員提出了一種正交模式設計方法。天線對中的兩根天線在對稱位置時具有正交極化，兩根天線之間實現(xiàn)了良好的隔離。另一個主要步驟是在設計具有相同頻段和高隔離度的天線對時，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[13]中相似。但是，在上述提到的所有天線對中，兩根天線要么是線型，要么是金屬片型。參考文獻[16]中提出了一個更全面和對稱的概念。在這個天線概念中，定義了四個單元天線：CM線、DM線、CM槽和DM槽。因此，有六對由四個單元天線產生的配對組合。在這六對組合天線中，有四對是具有固有高隔離特性的天線對，這要歸功于它們的正交極化，而另外兩對天線中，如果將天線對中的一根天線旋轉90°，也能獲得高隔離度。這個提出的天線設計概念大大增加了設計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[17?18]中可以找到六對組合天線的兩個設計實例。

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天線的設計通常是一個雙頻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模塊的設計與傳統(tǒng)相控陣的設計類似。通常，一個AiP模塊是一個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。這種天線陣列設計的挑戰(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格要求。智能手機中NFC天線的傳統(tǒng)解決方案是與手機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。