HFSS在手機MIMO天線中的應用

        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展。近年來，頻率資源的嚴重不足已經成為遏制無線通信發展的瓶頸。多輸入多輸出(MIMO)技術無需要額 外的發射功率和頻譜資源，就可以極大地提高無線通信系統的容量，故MIMO技術已經成為當前研究的一個熱門課題，是眾多方法中很有潛力和優勢的一項技術。 而小型的，適用于手機系統中的MIMO天線的設計是MIMO無線通信系統的關鍵的、難以攻克的技術之一。

　　與傳統手機天線相比較，手機 MIMO天線設計更加困難，這是因為手機系統中可被MIMO天線利用的空間有限。將多個天線集成在有限的空間中，天線單元間會存在很強的互耦。強烈的互耦 會導致MIMO天線輻射功率變小，MIMO系統的性能下降，故減小互耦是手機MIMO天線設計的一大難點。傳統天線設計方法是由設計師根據天線的分析理論 以及自己的經驗通過編程進行數值計算的方法來確定天線各參數的初始值，得到計算理論上的模型后，再根據實際實驗進一步調整設計。對手機MIMO天線設計而 言，這種傳統手機設計方法幾乎行不通，因為手機MIMO天線單元間的互耦無法根據公式事先設計。HFSS軟件的出現，使得設手機MIMO天線的設計變得可 實現而且簡便快捷、準確。通過對仿真模型的優化改進，就可以設計出滿足電氣性能的MIMO天線，避免了不必要的重復加工測試費用。隨著技術的發 展，HFSS的功能更加完善、界面更加人性化，建模更加簡單，仿真、優化功能和速度也不斷在改進。

　　本文就是利用HFSS11軟件對手機 MIMO天線進行設計仿真和優化。本文利用HFSS11，設計出一種兩單元小型雙頻手機MIMO天線。該天線由兩個相同的、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MIMO天線設計

　　天線的設計首先要建立模型，根據天線理論首先設計出天線模型的初始模型，接著就可以直接在HFSS的編輯環境中建模，同時設置材料特性，定義端口和邊界條 件，然后設定工作頻率等等，這些在此不再詳述。本文所提出的手機MIMO天線的結構如圖1所示，圖2是該手機MIMO天線在HFSS中的建模。圖1中所示 的天線尺寸為在HFSS中優化后的值。

　　如圖1所示，該MIMO天線由兩個該天線由兩個相同的、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。每個天線單元由兩個分 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構，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縫(1×13.6mm2)，該細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、仿真與測試結果

　　圖 3為該天線的S參數測試與HFSS12.0仿真比較圖。從圖中可見，天線的S參數的測試與仿真結果非常吻合。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。