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面向5G移动终端的MIMO天线设计与研究

面向5G移动终端的MIMO天线设计与研究

作者：乔进云内蒙古大学

学位级别：硕士

随着5G通信的快速发展,为实现高速率、宽带宽、低时延等性能需要使用更多的信道和频谱资源。而在通信系统中,信道和频谱资源一旦被分配到特定的传输媒介上,就无法再进行调整,难以满足5G通信的需求。MIMO(Multiple-Input Multiple-Output... 详细信息

随着5G通信的快速发展,为实现高速率、宽带宽、低时延等性能需要使用更多的信道和频谱资源。而在通信系统中,信道和频谱资源一旦被分配到特定的传输媒介上,就无法再进行调整,难以满足5G通信的需求。MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术可以极大地提高5G通信的信道容量和频谱利用率,从而有望解决5G通信面临的技术难题。然而,为了在5G通信中引入MIMO技术以提高信道容量和频谱利用率,就必须设计更多的天线结构,这不可避免地会占用智能手机内部更多的空间。且由于5G手机内部更复杂的芯片组,导致原本紧凑的空间更加狭小。而为了在有限的空间内容纳更多的天线结构,就需要开发出更小巧、更轻薄的天线以满足5G移动终端MIMO天线的技术需求。本文对两款小型化天线和一款低剖面天线进行了设计与研究,相关的设计方法与思路可为5G终端天线在小型化和低剖面方面的研究提供参考。1.第一款为面向N79频段的单频8单元手机边框MIMO天线。该天线将传统的单极子结构进行折叠,减小了天线的尺寸,折叠之后组成三个叠加的环形天线,扩展了天线的带宽,使用一条T形微带线对其进行耦合馈电,并使用表面电流法分析其谐振机理。最终的天线单元大小仅有22.7 mm×6mm(0.365λ×0.097λ,λ为4.83 GHz处所对应的自由空间波长),各项性能参数满足终端天线标准,对天线进行实物的测试,实测结果和仿真数据有较好的一致性。2.第二款为面向N79和Wi Fi频段的宽频8单元手机金属边框MIMO天线。该天线通过在金属边框和地平面挖缝,形成U形缝隙天线和矩形贴片天线,通过两段相互正交的L形微带线对其进行耦合馈电,同时使用双端口馈电技术对共享辐射贴片进行馈电,实现了天线的小型化,缝隙和贴片天线的叠加,扩展了天线的带宽,提高了天线的效率。最终的共享辐射贴片仅有23.3 mm×7 mm(0.399λ×0.12λ,λ为5.14 GHz处所对应的自由空间波长),效率在90%(-0.46 d B)以上,带宽1500 MHz。对天线进行实物的测试,实测结果和仿真数据有较好的一致性。3.第三款为面向N79和Wi Fi频段的双频4单元手机金属背盖MIMO天线。该天线通过在三角形微带天线表面挖矩形和半环形缝隙,引入了寄生贴片,增加了电流路径的长度,在贴片下方引入空气腔,降低了天线剖面,剖面仅为1 mm(0.015λ,λ为4.5 GHz处所对应的自由空间波长),同时,使用SPAs技术增强天线单元间的隔离效果,在不同天线单元之间产生4个单极去耦波,隔离度优于-11.5 d B,使用GCPW为主贴片和寄生贴片馈电,提高天线的效率和增益,其最大值分别为78%(-1.08 d B)和7.2 d B。对天线进行实物的测试,实测结果和仿真数据有较好的一致性。

关键词： MIMO技术终端天线小型化低剖面耦合馈电

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终端天线有源与无源加载技术研究

终端天线有源与无源加载技术研究

作者：郭谨豪电子科技大学

学位级别：硕士

随着通信技术的不断发展,天线作为信号发射和接收的媒介在无线通信系统中起着越来越重要的作用。终端天线是手持设备中所使用的天线的统称,而手持设备具有便携的特点,因此实现天线小型化、提高辐射效率是现阶段对终端天线的主要需求。... 详细信息

随着通信技术的不断发展,天线作为信号发射和接收的媒介在无线通信系统中起着越来越重要的作用。终端天线是手持设备中所使用的天线的统称,而手持设备具有便携的特点,因此实现天线小型化、提高辐射效率是现阶段对终端天线的主要需求。随着理论和技术的发展,出现了很多可以优化天线的方法,其中天线加载技术在提升天线性能、缩小体积中的应用非常广泛。因此,本文主要研究了基于无源加载的RFID手持终端天线,以及基于有源Non-Foster元件加载的终端天线。本文的主要研究内容如下:首先,设计了一款工作于RFID中国频段(920-925MHz)的手持读写器终端天线。天线通过在金属贴片上蜿蜒开槽引导电流路径,由四个蜿蜒槽组成中心对称的四个辐射单元,通过这种结构增加辐射贴片的电流维度,增大天线前后比,提高辐射效率。使用威尔金森功分器对四个开槽单元等幅馈电,沿右旋方向相位90°滞后实现圆极化。功分器与天线单元之间由馈电壁连接,通过在馈电壁旁加载短路壁,调整天线输入阻抗。此外,通过在微带辐射贴片中心开方形槽引导电流路径,增加电流路径的长度缩小天线尺寸。除此之外,文章还研究了Non-Foster元件加载的单极终端天线,通过电路的加载减小天线尺寸。首先设计调试一个用于手持机的单极子天线,天线长度为7cm,经测试其谐振频点为1.14GHz。测试天线的输入阻抗可以发现,天线在400-678MHz的阻抗表现小电阻大电抗,其电抗可以等效为3pF的电容。因此需要设计一个等效为-3pF的Non-Foster电路,将其与天线串联以抵消天线的容抗,实现匹配的改善。通过ADS(Agilent Advanced Design System)对电路进行设计和仿真,并将天线的S参数导入电路中进行调试,得到阻抗带宽可以满足要求的电路仿真结果。由于Non-Foster电路具有正反馈的性质,此电路具有不稳定性,因此需要进行稳定型验证和调试,通过抑制其反馈回路增益的幅度并改变其对应的相位,使环路增益不满足自激条件而趋于稳定。文中使用了三种仿真方式进行稳定型仿真,以验证电路的稳定性能。经过加工和测试,此电路满足指标要求,天线串联电路后在400-678MHz频带内满足VSWR<3。

关键词：超高频(UHF) 无源加载 Non-Foster电路终端天线小型化

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面向5G通信的终端天线研究与设计

面向5G通信的终端天线研究与设计

作者：何嘉庚西安电子科技大学

学位级别：硕士

5G(fifth-generation,第五代移动通信)系统致力于为用户提供更大数据容量、更高数据传输速率和更低延迟的网络通信服务。通信质量的提升无疑对硬件设备提出了更高要求,而移动终端天线作为用户设备的信号发送端和接收端,是通信系统的关... 详细信息

5G(fifth-generation,第五代移动通信)系统致力于为用户提供更大数据容量、更高数据传输速率和更低延迟的网络通信服务。通信质量的提升无疑对硬件设备提出了更高要求,而移动终端天线作为用户设备的信号发送端和接收端,是通信系统的关键一环,其性能的好坏直接影响整个网络的通信质量。为了应对5G阶段的通信需求,如今的终端天线主要面对两类挑战:一方面多入多出(MIMO)技术的使用增加了天线数量,而终端设备的小型化趋势压缩了天线的设计空间,使得天线设计难度加大;另一方面,传统频谱资源面临日趋紧张的现状,在毫米波段开辟新的频谱资源成为大势所趋,因此探索面向5G通信的终端天线新形式具有重要的研究意义和应用价值。本文重点针对5G通信中的Sub-6GHz和毫米波两个频段开展终端天线研究,主要工作概括如下:1.提出了一款适用于Sub-6GHz频段基于特征模理论的8元MIMO天线。不同于传统MIMO终端天线单元依次排开的设计形式,首先借助特征模分析方法设计了一种结构紧凑的2元天线对,同时实现了宽频带和去耦特性。通过在终端基板上采用4个天线对模块的排布,完成了 8元阵列的设计,在此基础上采用缺陷地结构,实现了任意两端口间15dB以上的隔离度。天线可以工作在5G New Radio n77/n78/n79和WLAN 5GHz频段,从而为现有Sub-6GHz终端天线研究提供了一种候选设计方案。2.设计了一款可用于低频Sub-6GHz及高频毫米波段的双频共享孔径天线。为了减少金属地面对高频单元辐射性能的影响,低频天线单元采用仅有部分地面的单极子天线形式。利用单极子天线单元的双层辐射贴片作为高频准八木天线的SIW上下金属板,实现了两者的共享口径设计。在此基础上通过在高频单元周围加载一圈金属化过孔,同时实现了低频Sub-6GHz天线的阻抗匹配和两端口间隔离度的提升,且未对天线单元原有辐射特性造成干扰。所提出的双频设计分别涵盖Sub6-GHz的n77/n78及5G毫米波n257/n258频段,从而为未来手机终端中5G毫米波与Sub-6GHz天线兼容设计提供了一种有效的设计方案。3.研究了一款结构紧凑的满足垂直水平双线极化的毫米波9单元天线阵列。首先分别设计了具有水平和垂直极化特性的平面准八木天线和开放式SIW天线,单元均具有宽带特性,覆盖了 5G毫米波的n257/n258频段。通过两种单元的交错式排列完成了 9元阵列设计,保持紧凑几何尺寸的同时实现了任意两单元较高的带内隔离度,所设计的阵列具有良好的端射特性和波束扫描能力。与目前相关设计相比,提供了一种性能良好的集成式双极化天线,期望能够应用在未来5G毫米波天线设计中。

关键词：终端天线 MIMO 特征模毫米波宽带共享孔径

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5G毫米波终端天线及模组的研究

5G毫米波终端天线及模组的研究

作者：陈凯东南大学

学位级别：硕士

随着移动通信终端产业的快速发展,手机已经成为人们日常生活中必不可少的智能设备之一。与4G移动通信相比,5G的主要区别之一是工作频段向毫米波频段的拓展。在手机终端应用场景下,毫米波天线及模组的设计存在许多困难与挑战。本文针对... 详细信息

随着移动通信终端产业的快速发展,手机已经成为人们日常生活中必不可少的智能设备之一。与4G移动通信相比,5G的主要区别之一是工作频段向毫米波频段的拓展。在手机终端应用场景下,毫米波天线及模组的设计存在许多困难与挑战。本文针对手机终端中5G毫米波天线及模组开展研究,主要成果如下:基于透射阵列天线原理,设计了一种透波结构,用于减小手机金属边框结构对端射天线的影响。通过仿真证明了该设计能够补偿端射方向上的增益损失,并可一定程度上拓宽天线的阻抗带宽。提出并设计了一种宽带的磁电偶极子天线单元与一种准八木天线单元,并分别基于这两种天线单元,设计并实现了应用于手机终端的一种边射天线模组和一种端射天线模组,研究了不同的通道校准方案,最终在微波暗室中对天线模组波束扫描特性进行了测试。测试结果表明,边射天线模组增益波动＜3d B的最大波束扫描范围约为±50,主副瓣电平比＞9d B;端射天线模组增益波动＜3d B的最大波束扫描范围约为±50,主副瓣电平比＞10d B,实验结果与仿真结果一致。边射天线模组的总体尺寸为34×42×1.86mm,端射天线模组的总体尺寸为23×21×0.65mm。在远场微波暗室中对手机环境下的端射天线模组波束扫描能力进行了测量,其增益波动＜3d B的最大扫描范围约为±45,扫描结果较自由空间中有所恶化,但整体性能良好。

关键词： 5G 终端天线毫米波相控阵金属边框

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手机终端MIMO天线研究

手机终端MIMO天线研究

作者：李煜杭州电子科技大学

学位级别：硕士

随着第三代、第四代移动通信网络技术的成熟与普及,第五代移动通信技术也随之映入人们眼帘。自从第三代LTE技术被提出之后,由于频谱资源比较稀缺且终端天线不仅仅需要满足小型化、宽带化、多频化还要具有高信道容量,而MIMO技术在不提高... 详细信息

随着第三代、第四代移动通信网络技术的成熟与普及,第五代移动通信技术也随之映入人们眼帘。自从第三代LTE技术被提出之后,由于频谱资源比较稀缺且终端天线不仅仅需要满足小型化、宽带化、多频化还要具有高信道容量,而MIMO技术在不提高天线带宽的前提下可以成倍的提高系统的信道容量,因此MIMO技术被广泛应用于移动终端中。根据以上的需求,设计具有多频段的多天线系统是必要的,本文提出了五款终端MIMO天线设计方案。首先,讨论了 MIMO系统的原理以及提高隔离度的方法,提出了一款两单元多频段的MIMO天线,采用耦合馈电以及外加电感的方式进行设计,能够覆盖880～960MHz以及1710～2690MHz两个频段范围,该款天线具有高效率,宽带化,小型化的特点,且天线单元之间的相关系数小于0.1。随后,提出了三款八单元天线结构,提出了两种不同的天线类型,对比两种天线类型的优缺点,得出平面天线的效率以及增益相对于3D-IFA类型的天线要差很多,并对单频的3D-IFA天线进行了实物测试,结果表明实物具有良好的方向性、高效率以及高增益等特点,天线的效率大于80%,增益最高可达到2dBi,随后又提出一款超宽带的MIMO天线结构,覆盖的频率范围为3.2～6.3GHz,其增益最高达到4.87dBi。最后,通过对上面的总结,提出了一款10单元MIMO天线系统,该10单元天线覆盖1710～2690MHz和3300～3600MHz两个频段范围,其中二单元部分的增益最高达到8dBi。

关键词： MIMO天线终端天线多频段 LTE天线双面双带线天线

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多频段终端天线的研究与设计

多频段终端天线的研究与设计

作者：刘爽西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着移动通信系统的快速发展,天线作为移动终端设备的最前端起着不可替代的作用,人们对于移动终端天线也逐渐提出了更高的要求。由于各种新的通信系统标准不断产生,因此,同时工作于多个频段的终端天线具有重要的研究价值。本文围绕研究... 详细信息

随着移动通信系统的快速发展,天线作为移动终端设备的最前端起着不可替代的作用,人们对于移动终端天线也逐渐提出了更高的要求。由于各种新的通信系统标准不断产生,因此,同时工作于多个频段的终端天线具有重要的研究价值。本文围绕研究课题,针对工作在2.4/5 GHz WLAN频段的高增益全向天线以及多频段的金属边框MIMO手机天线进行了研究。为进一步证明以上天线设计的准确性,对本文中所提出的设计均进行了实物加工和测试。具体研究内容如下:1.提出了两款工作在2.4/5 GHz WLAN频段的全向高增益偶极子阵列天线。该设计采用微带馈线以串并结合的馈电方式连接三对偶极子单元。利用偶极子单元上的双枝节,实现天线的双频段设计。通过控制单元间距并添加“U”形枝节的方式,控制天线相位,实现天线的高增益设计。其中,非小型化天线的尺寸较大,所以使用了切半技术,设计了小型化的偶极子阵列天线,将天线尺寸减小了46%左右。两款天线的实测结果良好,完全覆盖所要求的频段,并且具有良好的全向辐射特性和较高的增益。另外,该设计具有结构简单、尺寸小、易加工且成本低等优点。因此,该天线非常适合应用到工程实践中。2.提出了一款带有寄生贴片的全向高增益偶极子天线。偶极子的高次模使天线工作在2.4/5 GHz WLAN频段。通过在偶极子两侧适当位置处添加三种不同尺寸的寄生贴片,利用寄生贴片与偶极子之间的耦合,使寄生贴片具有辐射特性,产生与相邻的偶极子部分相反的电流,使天线的整体电流趋于一致,以此达到提高天线增益的目的。实测的低频段和高频段峰值增益分别高于3.81 d Bi和7.88 d Bi。除此之外,该天线还具有良好的全向辐射特性。3.提出了一款工作在4G/5G频段的金属边框MIMO手机天线。该设计共由六个天线单元组成,其中两个位于长边的天线单元为半环模式,工作在GSM850/900(824-960 MHz)频段。另外四个位于四个角落处的天线单元通过可重构技术可以工作在两种状态:当开关1断开,开关2闭合时,天线单元工作在状态1,为IFA天线,四个天线单元均工作在DCS/PCS/UMTS2100和LTE2300/2500五个频带(1710-2690MHz);开关1闭合,开关2断开时,天线单元工作在状态2,为1λ环模式,四个天线单元均工作在Sub-6G的5G频段(LTE 42/43,即3400-3800 MHz)。六个天线单元之间实测的隔离度均大于12.8 d B,符合设计要求。另外,其余各项实测性能良好。值得强调的是,该天线的净空只有2 mm,所以在高屏占比手机中具有良好的应用潜力。

关键词：多频段终端天线 WLAN 偶极子寄生贴片 MIMO 金属边框

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内置终端天线的多频段设计与研究

内置终端天线的多频段设计与研究

作者：王双凤合肥工业大学

学位级别：硕士

内置终端天线的多频段和小型化问题是近年来的研究热点。而无线通信技术的发展也为天线的设计提出了更高的要求,所以如何在有限的空间内实现多频化覆盖是终端天线面对的问题之一。本论文针对内置终端天线实现多频化的问题,运用多枝节等... 详细信息

内置终端天线的多频段和小型化问题是近年来的研究热点。而无线通信技术的发展也为天线的设计提出了更高的要求,所以如何在有限的空间内实现多频化覆盖是终端天线面对的问题之一。本论文针对内置终端天线实现多频化的问题,运用多枝节等方法设计了三种应用于内置终端的多频段天线。论文研究内容主要包括以下方面。1、论文首先叙述了终端天线的背景及意义,分别介绍了两种常用的内置终端天线:平面单极子天线,平面倒F天线,并分析比较了它们各自的特点及性能指标,最后总结了实现移动终端天线小型化,多频段,宽频带的技术。2、针对多频段天线,设计了两个内置多频段单极天线,一个内置倒F型天线,详细叙述了天线设计的思路和流程,结合仿真软件进行多次地调试和优化,讨论了天线结构体尺寸参数的变化对整体天线性能的影响。最后,三款天线均实现了较好的阻抗和带宽,在S11≤-6d B定义下的带宽覆盖了GSM、DCS、PCS、UMTS、LTE等通讯频段,并且在所在频段内有较好的方向性,比较适用于现代的内置终端设备,具有良好的应用价值。3、论文最后重点研究了四种常见内置终端天线在不同终端设备上的应用测试。通过分析不同终端设备上的天线性能出现衰减的可能原因,详细地测试了天线在不同状态下的无源性能和有源性能,并结合网络分析仪进行多次调试、优化,讨论了终端设备本身结构体和天线周围的元器件给天线性能带来的干扰;最后通过调整天线的形状,改善天线周边的环境,达到了降低周边器件对天线灵敏度的干扰度,进而达到了提高整机天线的辐射性能。

关键词：终端天线多频段辐射功率灵敏度干扰度

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北斗多频小型化导航终端天线设计与实现

电气传动自动化 2023年第4期45卷 26-29,19页

作者：杨晓杰福州福大信捷天线技术有限公司福建福州350108

卫星导航定位对于国家安全、经济和社会发展具有重要意义,具备多导航系统的导航终端竞争力更强。天线在导航终端中起到决定性作用,为满足多系统兼容性的基本需求,必须要保证能够同时实现多频特性和两种圆极化特性。本文设计了一款北斗... 详细信息

卫星导航定位对于国家安全、经济和社会发展具有重要意义,具备多导航系统的导航终端竞争力更强。天线在导航终端中起到决定性作用,为满足多系统兼容性的基本需求,必须要保证能够同时实现多频特性和两种圆极化特性。本文设计了一款北斗多频段的小型化导航终端天线,采用堆叠结构实现多频段覆盖,通过配置中心对称的金属过孔来提高端口隔离度,在天线底层介质四周配置金属贴片来提高低仰角增益,并利用高介电常数的介质基板实现小型化。经过测试验证,本文所设计的终端天线满足设计要求。

关键词：多频小型化终端天线

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5G移动终端MIMO天线的研究与设计

5G移动终端MIMO天线的研究与设计

作者：倪康迪杭州电子科技大学

学位级别：硕士

随着第五代通信商业化的展开,5G天线技术的研究随之进入白热化的阶段。由于人们对高于4G标准通信速率的需求以及现代移动终端设备超高屏占比、超薄化的发展趋势,适用于5G移动终端设备中的天线要满足多频段、小型化、宽带化、高信道容量... 详细信息

随着第五代通信商业化的展开,5G天线技术的研究随之进入白热化的阶段。由于人们对高于4G标准通信速率的需求以及现代移动终端设备超高屏占比、超薄化的发展趋势,适用于5G移动终端设备中的天线要满足多频段、小型化、宽带化、高信道容量等特点。电磁频谱资源是非常有限的,使用MIMO技术可以更合理的利用频带资源,在频带宽度一定的情况下,提高几倍的信道容量。综合上述所有的设计要求,本文从天线原理和设计的实用性角度分析并设计了四款5G多频段的移动通信终端MIMO天线。首先,本文从实现的基础原理等方向对MIMO进行深入地研究和分析。重点研究了提高MIMO隔离度、去耦以及多频段5G天线单元的小型化、宽带化等方面的技术实现。其次,本文先提出了两款基于单极子天线结构设计的5G多频MIMO天线,分别设计了平面结构的单元以及立体结构的天线单元。对比两款天线仿真及实测结果,3D-Monopole天线的辐射效率明显要高很多,5G低频段实测天线效率甚至高达80%。3D-Monopole天线单元尺寸非常小,只有8mm×8mm×5mm,金属背板开槽较小,实用性更好。另一款平面设计的天线合理地利用了自身的高阶谐振以及耦合等特性,辐射性能较好。最后,本文提出了一款基于PIFA天线结构设计的5G多频MIMO阵列天线及其改进型。仔细对比分析该天线仿真及实测的最终结果可知,该天线设计符合移动通信终端设备的标准要求。使用了添加额外介质基板以及在辐射单元上开槽等技术,实现了天线的多频化以及宽带化。该天线设计不需要在金属背板上开槽,保证了金属背板的完整性,符合当下移动终端超高屏占比的发展趋势,实用性较高。在此设计基础上额外添加两个天线单元,结合天线单元的辐射特性进行重新布局,提出了该天线的一种改进型8单元的MIMO天线。

关键词： MIMO 终端天线多频段小型化 3D-Monopole 5G通信