用于未来无线通信金属壳手持终端的MIMO天线系统

摘要

伴随着多媒体与互联网等新兴业务的广泛发展，人们对无线通信数据传输速率要求越来越高。由于MIMO技术在不增加额外的辐射功率和不增加带宽的情况下，通过增加收发天线单元提升通信质量和信道容量，使它成为了下一代无线通信系统中的关键技术。但是受限于手持终端的尺寸，多个天线在同一频段下工作时相互之间会产生耦合作用，影响通信质量。此外出于对美化的外观和稳定性的要求，采用金属边框或者是金属外壳的手持终端成为越来越多用户的首选。然而机身金属化后，天线与这些金属会产生耦合，影响天线的辐射效率，降低了天线的性能。针对以上问题，本文对于手持终端MIMO天线的解耦技术、以及如何降低金属外壳对天线的影响进行了研究，采用了一种新颖的天线单元组成MIMO天线系统来克服以上问题。本文所做的主要工作包括： 1.针对设计中存在的问题，本文采用一种新型的磁偶极子天线单元组成MIMO天线。根据镜像原理，分析该天线单元的等效源在金属外壳封装时受到的影响。从理论上给出了这种单元适用于金属外壳手持终端的原因。 2.利用这种磁偶极子单元，设计可用于金属外壳手持终端的中心频率在3.5GHz的8单元MIMO天线。从仿真和实测结果可以看出该天线系统在金属外壳封装下整个系统的带宽达到100MHz，天线单元之间隔离度仍可以达到12.5dB以上，但是该系统的最大辐射效率仅有36%。同时作为比较又提出了一种由PIFA天线组成MIMO天线系统。 3.为追求天线系统有较高的辐射效率，提出了基于之前提出的8单元磁偶极子MIMO天线的调整方案，即将原有的8单元天线减少为4单元天线。通过HFSS软件对该天线系统进行结构分析和参数优化，最后对该MIMO天线进行了制作和测量。从实验测试数据来看，该MIMO天线系统的各天线单元之间隔离度大于15dB，天线辐射效率在工作频段内均高于40%。经过实测和计算，4×8MIMO天线系统的信道容量达到了15bps/Hz，是SISO系统的三倍，达到理想容量上限的75%以上，满足下一代无线通信中金属外壳手持终端的实际需求。

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