适用于5G终端的宽带MIMO天线系统，采用时隙加载和通孔加载技术 丁欣豪（Xin-Hao Ding）、 詹良军（Liang-Jun Zhan）、 谭震（Zhen Tan） 以及沙·纳瓦兹·布鲁库尔（Shah Nawaz Burokur）

《Sensors》：Wideband MIMO Antenna System Employing Slot and via Loading Technique for 5G Terminals Xin-Hao Ding, Liang-Jun Zhan, Zhen Tan and Shah Nawaz Burokur

　　**亮点**

**主要发现是什么？**
一个四元素的多输入多输出（MIMO）天线系统实现了从4.23 GHz到5.96 GHz的宽带操作。这种三模宽带操作是通过在贴片元件内特定使用一个槽和一对金属化过孔来独立控制TM10、TM01和TM11δ模式来实现的。策略性地引入另一组金属化过孔有效地控制了元件之间的互耦。这种解耦技术确保了超过17 dB的元件间隔离水平，总效率超过45%，包络相关系数（ECC）低于0.25。

**主要发现的意义是什么？**
所提出的多模激励技术提供了足够的带宽，可以实际同时覆盖多个商用频段，包括N79（4.4–5 GHz）、V2X（5.905–5.925 GHz）和Wi-Fi 5/6（5.150–5.850 GHz）。通过解决以前宽带多模设计中依赖空气间隙的问题，这种紧凑的几何配置提供了一种高效且实用的解决方案，可以无缝且直接集成到5G移动终端的背面盖上。

**摘要**
本文介绍了一种宽带四元素多输入多输出（MIMO）天线系统，该系统由四个矩形贴片以顺序旋转的方式排列。通过利用贴片设计中的槽和金属化过孔，实现了TM10、TM01和TM11δ模式的宽带频率操作。另一组金属化过孔用于控制天线元件之间的耦合，实现了超过17 dB的隔离水平。制造并测量了一个原型，展示了从4.23 GHz到5.96 GHz的-6 dB阻抗带宽，能够覆盖N79（4.4–5 GHz）、V2X（5.905–5.925 GHz）和Wi-Fi 5/6（5.150–5.850 GHz）频段。该MIMO天线的效率超过45%，包络相关系数（ECC）低于0.25。由于其宽带宽、紧凑的几何形状和良好的隔离性能，所提出的MIMO天线为集成在移动终端背面盖中的5G MIMO应用提供了一种高效且实用的解决方案。

**1. 引言**
随着第五代（5G）通信系统的快速发展，对扩展频谱资源、更高数据速率和增强移动终端数据处理能力的需求变得越来越迫切。提高无线信道容量的一种最有效策略是在终端架构中集成更多的天线元件[1]。因此，多输入多输出（MIMO）技术受到了广泛的研究关注，因为它利用空间复用来显著增加数据吞吐量，而无需额外的频谱资源或更高的传输功率[2,3,4]。此外，MIMO可以通过利用空间多样性来提高链路可靠性并减少衰落效应，这在密集的城市环境和高移动性场景中尤为重要。在移动终端中，MIMO阵列可以沿着设备框架集成或直接集成到背面盖上。已经报道了多种框架安装的MIMO实现方式，包括单极子、贴片和基于槽的设计[5,6,7,8,9,10]。虽然框架安装的解决方案在机械和设计上有一定的便利性，但天线数量的持续增加以及因此对更高阶MIMO配置的需求导致了设备框架上的显著空间限制。这种空间约束可能对元件间距、互耦和整体天线性能产生不利影响。因此，近年来将背面盖作为天线集成的替代平台受到了相当大的关注。背面盖集成不仅缓解了框架上的空间限制，还提供了一个适合排列多个元件的平面表面，具有足够的间隔，从而实现更好的隔离、更宽的带宽和改进的MIMO性能。此外，背面盖还提供了与设备美观和结构设计的无缝集成机会，使其成为现代5G移动终端的一种实用且越来越流行的解决方案。

**2. 天线设计**
如图1所示，所提出的设计实现了一个适合集成在移动终端中的紧凑四元素MIMO天线系统。该天线构建在标准的环氧FR4介电基板上，其相对介电常数为εr = 4.4，损耗正切为tan δ = 0.02，提供了一个成本效益高且机械稳定的平台。整体架构在顶面上集成了四个微带蚀刻的辐射贴片，每个贴片都经过精心设计以支持多个共振模式，以及三组金属化过孔：四对Via1、四对馈电过孔（Via2）和四对嵌入基板中的Via3。每个贴片包括一个槽和一对相应的Via1，其中槽与Via1一起实现了基本TM10模式的精确调谐，而更高阶的TM11δ模式主要由Via1控制。这种布置允许独立激发多个模式，在紧凑的占地面积内实现宽带操作。基板底部的完全金属化接地平面确保了适当的电流回路和辐射效率。为了进一步提高MIMO性能，在相邻贴片之间策略性地插入了一对额外的金属化过孔（Via3）以抑制互耦并增强元件间隔离。每个贴片通过专用连接器（Via2）单独馈电，确保均匀激励和稳健的多端口操作。总体而言，该设计结合了紧凑的尺寸、宽带三模性能和高隔离性能，使其成为现代移动终端中高性能MIMO部署的实用解决方案。

**2.1. 基本天线设计**
图2展示了基本贴片元件的进化设计过程，以及每个设计阶段的相应模拟带宽和表面电流分布特性（案例1至4）。仿真过程使用ANSYS HFSS（2023 R2）[26]进行，采用驱动模态解决方案。辐射边界放置在距离结构至少λ/4的位置，其中λ对应于感兴趣的最低频率，在馈电过孔处放置了集总50 Ω端口。在图2a中，案例1展示了初始贴片配置，支持TM10/TM01混合模式以及TM11模式。电流分布分析显示，混合TM10/TM01模式和TM11模式分别在4.8 GHz和6.8 GHz处共振，表明基本模式存在部分模式简并。为了实现TM10和TM01模式的独立控制，在案例2中在贴片上引入了一个狭窄的槽，如图2b所示。这个槽有效地延长了与TM10模式相关的电流路径，而基本上不影响TM01模式。结果，先前简并的混合模式被分离，TM10模式在3.6 GHz处共振，而TM01模式保持在接近4.8 GHz。槽的引入还影响了更高阶的TM11模式，使其共振频率向下移动到6.1 GHz。此外，由于贴片几何形状的改变，该模式的电流分布出现了明显的失真，导致其被重新分类为TM11δ模式，其中δ表示相对于纯TM11的失真或偏移模式。

然而，TM10和TM11δ模式仍然存在固有的耦合，使得它们的独立控制变得具有挑战性，并限制了多模宽带操作的实现。为了解决这个问题，案例3和4引入了旨在解耦这两种模式的结构修改。在图2c中，案例3表明将槽从贴片中心移开会导致TM10模式的共振频率升高，同时降低TM11δ模式的共振频率。这种行为是因为槽的偏移创建了一个TM10电流强度降低的区域，以及TM11δ电流更集中的区域。因此，与案例2相比，偏移槽减少了对TM10模式的影响，同时增强了其对TM11δ模式的影响，从而实现了这些耦合模式的部分独立调谐。随后，如图2d所示，在案例4中，两个金属化过孔（Via1）被策略性地集成在天线结构的y轴上。由于它们的方向，这些过孔主要与x极化模式相互作用，特别是影响贴片的TM10共振模式。功能上，这些过孔为TM10模式引入了额外的电感，有效地改变了其共振行为。为了定量分析这种效应，没有Via1和有Via1的TM10模式可以等效地建模为两个并联的RLC谐振电路，如图3所示。这些等效电路的谐振频率可以使用标准的RLC并联谐振公式来表示。对于没有Via1的TM10模式，谐振频率fa由贴片的固有电阻R、电感L1和电容C1决定，代表了结构的自然电磁响应。当引入Via1时，它为L1提供了一个额外的电感L2。组合的并联电感降低了TM10分支的总电感反应，从而将谐振频率从fa提高到fb。这种效应可以被视为一种频率调谐机制，通过调整物理尺寸、位置和通孔的数量来精确控制TM10的谐振。此外，引入Via1对其他谐振模式（TM01和TM11δ）的干扰最小，展示了选择性模式控制，这对于多模式宽带天线设计特别有利。RLC等效电路分析提供了一个直观且准确的框架，用于预测由于结构修改而引起的谐振频率的变化，从而在物理设计和理论建模之间架起了桥梁。

图3. TM10的等效RLC谐振电路：(a) Case 3和(b) Case 4。引入Via1有效地将TM10模式向更高的频率移动，更接近TM01模式，而对TM11δ模式的影响可以忽略不计。这种选择性调谐允许在不干扰高阶TM11δ模式的情况下精确控制TM10模式。因此，TM10、TM01和TM11δ这三个模式可以同时被激发并独立控制，实现了在4.28 GHz到6.08 GHz的频率范围内反射系数S11 < –6 dB的三模式宽带操作。这种频率覆盖范围包括了N79频段（4.4–5 GHz）、V2X频段（5.905–5.925 GHz）和Wi-Fi 5/6频道（5.15–5.85 GHz），使得该设计适用于多标准终端应用。

进一步的参数研究调查了槽长l3和Via1的位置l8对S11响应的影响，如图4所示。增加l3会导致TM10和TM11δ模式都向较低频率移动，反映了有效电流路径的延长以及对高阶模式的增强耦合。相比之下，增加l8仅选择性地使TM10模式向下移动，展示了Via1能够独立调节基本模式而不影响TM11δ的谐振。

2.2. MIMO天线设计
如图5a所示，四元素MIMO天线是通过将四个贴片按顺序旋转的配置精心设计的，每个贴片都通过其对应的馈电端口独立激发。这种旋转排列不仅确保了空间多样性，还增强了辐射场的正交性，这对于减少互耦和提高MIMO系统性能至关重要。由于天线的结构对称性，整个阵列的电磁行为和性能特性可以通过分析元素1来有效表示，大大降低了计算复杂性，同时保持了预测阵列性能的准确性。

如图5c所示，端口1和端口3之间的隔离度超过17 dB，这主要归因于这两个元素之间的相对较大物理距离以及旋转排列，它最小化了直接耦合路径。隔离度水平表明对于实际MIMO应用来说互耦足够低，确保了最小的信号泄漏并保持了独立通道的完整性。相比之下，端口1和端口2之间的隔离度约为14 dB，由于元件之间的距离较短，因此略低。尽管如此，观察到的隔离度仍然在多端口MIMO操作的可接受范围内，允许有效的解耦和通道之间的低相关性。此外，电流分布分析显示，紧密排列的元件之间的耦合主要由近场相互作用主导，而对角线排列的元件之间的耦合主要受远场辐射重叠的影响，进一步解释了隔离度水平的差异。这种详细的评估证实，所提出的顺序旋转配置在紧凑的阵列尺寸、空间多样性和可接受的隔离度之间取得了平衡的折中，为实际毫米波终端应用中的宽带MIMO性能提供了坚实的基础。

为了进一步增强端口隔离并减少互耦的不利影响，在天线元件之间策略性地加入了Via3结构。这些通孔作为垂直导电路径，为感应电流提供了有效的返回路径，从而抑制了相邻贴片之间的表面波和近场耦合。在Case 5中，如图5b所示，对称地引入了四对额外的通孔，确保了所有元件之间的抑制效果均匀。这些通孔的放置经过精心优化，以最大化解耦，而不会显著干扰每个天线元件的辐射模式或输入阻抗。如图5d所示，加入通孔结构后，端口1和端口2之间以及端口1和端口3之间的隔离度得到了显著提高，超过了17 dB。这种增强可以归因于抑制了紧密排列元件之间的近场耦合以及沿基板的表面波传播。考虑到四元素MIMO配置的几何对称性，可以推断所有其他端口对也表现出类似的改进，在指定的操作频率范围内实现了至少17 dB的隔离度。此外，加入通孔对各个端口的反射系数影响很小，保持了良好的阻抗匹配，同时实现了有效的解耦。这表明所提出的通孔辅助设计不仅提供了强大的互耦抑制，还保留了每个天线元件的固有辐射特性，从而提高了实际毫米波终端应用中MIMO天线的整体性能。

与其他解耦技术（如中和线或缺陷地面结构[DGS] [27]相比，所提出的基于通孔的方法的优势在于它完全嵌入在基板内，保持了地平面的完整性，没有增加天线的占地面积。此外，尽管DGS可以有效抑制表面波，但它们往往会参与增加后向辐射。虽然中和线可以实现高隔离度，但它们通常需要额外的蜿蜒线路，这可能会导致不必要的共振[28]。因此，我们仅使用通孔的方法为低轮廓MIMO阵列提供了一个简单有效的解决方案，这可以使用标准的低成本印刷电路板（PCB）制造技术进一步加工。关于扩展到更高阶MIMO系统（如8或16元素MIMO系统），顺序旋转的2 × 2块可以作为基本构建块。然后可以在更大的终端（例如平板电脑或掌上电脑）的背盖上铺设多个基本块，并在块之间放置额外的解耦通孔以保持良好的隔离。

特定吸收率（SAR）指的是单位质量的生物组织吸收或消耗的电磁功率，是评估移动终端向人体辐射强度的一个重要参数。因此，模拟了所提出天线的10克空间平均单手SAR。图6a显示了手持手机的人手的评估模型。在4.4 GHz、4.8 GHz和5.8 GHz处的模拟SAR峰值分别为0.227、0.733和0.38，这些值低于10克人体组织的SAR限制2.0 W/kg，从而验证了所提出天线符合安全标准，并适用于5G移动终端设备。

3. 实验验证
所提出的四元素MIMO天线是使用标准PCB技术制造的，如图1c中的照片所示，随后进行了全面的实验验证。为了实验验证性能，使用Agilent N5230C四端口差分矢量网络分析仪（VNA）测量S参数。在进行了完整的4端口短开路负载通过（SOLT）校准后，将四个天线馈电端口通过射频同轴电缆直接连接到VNA的四个端口。在微波/毫米波无回声室（0.8 GHz–40 GHz范围）中使用2–18 GHz的标准喇叭天线作为接收器，测量辐射模式和总效率。图7a展示了4–6.5 GHz频率范围内的模拟和测量S参数，清楚地显示了三个谐振模式如何同时覆盖N79、V2X和Wi-Fi 5/6。此外，在整个操作频率范围内，模拟和实验性能之间有很好的一致性。测量的-6 dB阻抗带宽覆盖了4.23 GHz到5.96 GHz，对应于34%的分数带宽，与模拟预测相符。此外，测量到的天线元件之间的互耦在整个操作频率范围内保持在-17 dB以下，确认了解耦策略的有效性并验证了设计方法。

所提出的四元素MIMO天线的性能在Ansys HFSS中进行了全波电磁仿真，使用符合IEEE Std 1528-2013 [29]的标准人体模型进行评估，该模型被放置在典型的手持位置，手掌接触智能手机的背面，手指环绕侧面边缘。图6b,c展示了人手对天线性能的影响。单手模式：(a) 结构和相应的模拟(b) 带宽，(c) 互耦，以及(d) 总效率。为了评估在实际用户手持条件下的天线性能，使用了标准的人体模型。?6 dB阻抗带宽在自由空间和手持两种情况下都覆盖了4.25–6.0 GHz。天线元件之间的隔离度在整个操作频段内保持在17 dB以上，与自由空间条件相比几乎没有变化。尽管手部效应略微降低了总效率，但在操作频段内仍然保持在40%以上，如图6d所示。这些结果证实了所提出的天线在实际用户手持条件下的良好性能。

为了进一步增强端口隔离并减少互耦的不利影响，在天线元件之间策略性地加入了Via3结构。这些通孔作为垂直导电路径，为感应电流提供了有效的返回路径，从而抑制了相邻贴片之间的表面波和近场耦合。在Case 5中，如图5b所示，对称地引入了四对额外的通孔，确保了所有元件之间的抑制效果均匀。这些通孔的放置经过精心优化，以最大化解耦，而不会显著干扰每个天线元件的辐射模式或输入阻抗。如图5d所示，加入通孔结构后，端口1和端口2之间以及端口1和端口3之间的隔离度得到了显著提高。这种增强可以归因于抑制了紧密排列元件之间的近场耦合以及沿基板的表面波传播。考虑到四元素MIMO配置的几何对称性，可以推断所有其他端口对也表现出类似的改进，在指定的操作频率范围内实现了至少17 dB的隔离度。此外，加入通孔对各个端口的反射系数影响很小，保持了良好的阻抗匹配，同时实现了有效的解耦。这表明所提出的通孔辅助设计不仅提供了强大的互耦抑制，还保留了每个天线元件的固有辐射特性，从而提高了实际毫米波终端应用中MIMO天线的整体性能。

与其他解耦技术（如中和线或缺陷地面结构[DGS] [27]相比，所提出的基于通孔的方法的优势在于它完全嵌入在基板内，保持了地平面的完整性，没有增加天线的占地面积。此外，尽管DGS可以有效抑制表面波，但它们往往会导致后向辐射的增加。虽然中和线可以实现高隔离度，但它们通常需要额外的蜿蜒线路，这可能会导致不必要的共振[28]。因此，我们仅使用通孔的方法为低轮廓MIMO阵列提供了一个简单有效的解决方案，这可以使用标准的低成本印刷电路板（PCB）制造技术进一步加工。关于扩展到更高阶MIMO系统（如8或16元素MIMO系统），顺序旋转的2 × 2块可以作为基本构建块。然后可以在更大的终端（例如平板电脑或掌上电脑）的背盖上铺设多个基本块，并在块之间放置额外的解耦通孔以保持良好的隔离。MIMO天线的MEG（矩阵元素增益）如下所示[33]：(6) 通过仿真和测量获得的MEG值分别在?6 dB–?5.3 dB和?6 dB–?5.4 dB的范围内稳定分布，并且两者之间有很好的一致性。此外，图8展示了元件1在三个代表性频率4.4 GHz、4.8 GHz和5.8 GHz下的测量和仿真远场辐射模式，分别在xoz平面和yoz平面上。仿真结果与测量结果之间有很强的吻合度，验证了电磁模型的准确性和制造过程的可靠性。在yoz平面的辐射模式中观察到大约10°的轻微倾斜（图8d），这归因于贴片元件内部槽和Via1的不对称布置。然而，这种轻微的角度倾斜并没有降低MIMO性能，因为包络相关性仍然很低。由于阵列的固有几何对称性，可以推断其余的天线元件提供了互补的辐射模式，从而确保了强大的极化和空间多样性。这种结构对称性，加上低互耦和可接受的效率，保证了全面的空间覆盖和可靠的多通道性能，突显了所提出设计适用于实际MIMO终端应用的适用性。图8. 元件1的仿真和测量辐射模式。(a) 在4.4 GHz时的xoz平面和(b) yoz平面。(c) 在4.8 GHz时的xoz平面和(d) yoz平面。(e) 在5.8 GHz时的xoz平面和(f) yoz平面。表1提供了所提出的四元素MIMO天线与文献中报道的几种代表性设计之间的全面性能比较。[18,19,20]中介绍的天线尺寸相对紧凑，适用于空间受限的应用。然而，仔细检查会发现某些局限性：[18,19]中的设计仅包含两个MIMO元件，这限制了它们进行更高阶空间复用的潜力，而[18,19,20]中报告的 operating bandwidth不足以覆盖当代移动终端所需的多个通信频段。另一方面，[21,22,23,24]中的设计实现了宽带性能，但其MIMO元件之间的隔离相对有限，这可能会在实际部署中降低信道容量和整体多样性性能。一个关键的观察是，除了[20]中的设计外，大多数现有天线由于外形尺寸、厚度或放置兼容性的限制，不适合直接集成到移动终端的背面。相比之下，所提出的天线在多个关键性能指标上都有全面的改进。具体来说，它保持了足够的宽operating bandwidth以覆盖相关的sub-6 GHz通信频段，支持四个MIMO元件以增强空间复用能力，并实现了互耦抑制，使得在整个operating band内的隔离超过17 dB。同时，它的SAR值低于2 W/kg（平均在10克人体组织上）。此外，其紧凑的几何形状和平面外形尺寸允许直接集成到移动设备的背面，无需额外的间距或结构修改。这种宽带操作、高隔离、多元素配置和无缝集成能力的组合，使所提出的设计与以往的工作区分开来，特别适合需要高数据速率、强大MIMO性能和高效利用有限空间的现代移动终端。表1. 与先前天线设计的性能比较。最后，表2通过比较几何结构（如通孔数量、槽数量、基板层和空气层）与以往研究中的结构来研究结构的复杂性。主要观察结果是，我们提出的设计使用单层环氧FR4材料，没有任何空气间隔层，并且通孔数量适中，例如4对用于模式控制，4对用于解耦，这使得设计比多层或带有空气间隙的设计更简单、更容易制造。表2. 所提出设计与以往工作的复杂性比较。4. 结论在本文中，设计、制造并实验验证了一种紧凑的宽带四元素MIMO天线。所提出的设计利用了三种共振模式——TM10、TM01和TM11δ——通过精心设计的槽和金属化通孔的结合来实现宽带操作。这种多模式激励策略确保了关键通信频段的覆盖，包括N79、V2X和Wi-Fi 5/6，为当代移动终端提供了多功能解决方案。为了进一步提高互耦性能，还在天线元件之间战略性地集成了额外的金属化通孔，有效抑制了表面波和近场相互作用，从而在整个operating frequency band内的隔离水平超过17 dB。制造的原型展示了4.23–5.96 GHz的阻抗带宽，所有端口的总辐射效率始终高于45%，包络相关系数（ECC）值保持在0.25以下，证实了出色的MIMO性能和信道去相关。天线保持了紧凑的尺寸，确保了与现代移动设备典型的受限外形尺寸的兼容性。此外，旋转对称性和精心优化的馈电网络有助于所有四个元件之间的互补辐射模式，从而在实际部署场景中实现强大的空间多样性和高质量覆盖。总体而言，所提出的MIMO天线同时实现了宽带操作、高隔离、紧凑的尺寸和令人满意的效率，证明了其适用于集成到5G移动终端和其他先进无线通信应用中。多模式激励、结构优化和解耦技术的结合为紧凑设备中的高性能多元素天线设计提供了一种实用且可扩展的方法。