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。

分析電流分布圖是研究MIMO天線單元間互耦的方法之一，圖4為該手機MIMO天線在高低頻的中心頻率處的電流分布圖。根據地板表面電流和激勵天線單元在非激勵天線單元上誘發的耦合電流，適當地調整地飯細縫的尺寸，則可以改變地板表面電流的分布，減小非激勵天線單元上的耦合電流，從而減小天線單元間由于表面電流引起的互耦。為了證明天線單元的垂直放置有利于減小天線近場引起的互耦，圖5給出了兩個帶傳統地板的MIMO天線的S參數比較圖，其中一個MIMO天線的兩個天線單元垂直放置，另外一個MIMO天線的兩天線單元平行放置。觀察圖5可以知道，在天線的低頻工作帶寬內，天線單元的垂直放置使得隔離度提高了2.2dB。由此可以知道，借助HFSS在仿真階段找到合適的去耦方法，從而避免盲目加工測試帶來的資源和時間浪費。

在設計天線的時候應當考慮到天線的性能是否穩定，位于天線附件的電氣元件對天線性能有怎樣的影響，而且這些影響在仿真設計階段就應該弄清楚，然后在測試過程中加以驗證。利用HFSS軟件，圖6給出了在MIMO天線附近放置一個金屬盒的模型已經該金屬盒對MIMO天線S參數的影響。從該圖可以看到該MIMO天線對放置在其附近的電氣元件有比較強的魯棒特性，即天線的性能穩定。

圖7為MIMO天線的測試與仿真二維輻射方向比較圖，從圖中可以看到，實測結果與HFSS的仿真結果非常吻合。故可以證明HFSS的仿真結果十分準確。同時還可以觀察到天線在H面具有較好的全向輻射性能，天線單元1的增益的最小值出現在+Y軸的±45o內，這是因為天線單元2位于天線單元1的+Y軸方向。天線單元1和2沿著XOY面對稱，故天線單元2的輻射方向圖與天線單元1的輻射方向圖也就沿著XOY面對稱，即是天線單元2的增益的最小值出現在-Y軸的±45o內，因為天線單元1位于天線單元2的-Y軸方向。這種特性，有利于進一步減小天線單元間的互耦。

4、結論

本文通過對手機MIMO天線的設計發現，HFSS12.0軟件能很好地為MIMO天線工程設計提供幫助,使得MIMO天線設計簡單、快捷、低成本，還可以幫助天線設計人員了解、分析天線單元間的互耦，以便尋找合適的去耦方法。HFSS12.0軟件三維建模及數據轉換讀取功能強大，仿真結果與天線的實測結果基本一致，從而大大提高了工作效率和設計的成功率。