HFSS在手機(jī)MIMO天線中的應(yīng)用

        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。