未来移动终端天线设计的挑战及要求

●●×●×●×工程11（2022）12意见和评论未来移动终端汉阳王华为技术（英国）有限公司有限公司、Reading RG2 6UF，英国1. 介绍多年来，移动终端的天线设计变得越来越困难。这主要是由于在这种设备中用于容纳具有宽频带和多频带要求的多个天线的可用空间有限。即将到来的第五代（5G）无线通信使得这个问题对于移动终端天线设计者来说更具挑战性，因为它需要在6 GHz以下频带的非常大量的多输入/多输出（MIMO）天线，以及在毫米波频带的两个或三个天线封装（AiP）模块。在这些天线设计中，天线必须是小的、紧凑的、低轮廓的和重量轻的，同时保持宽带和多频带性能。此外，对于MIMO天线设计，尽管天线被放置得非常靠近，但是天线之间的高度隔离必须被满足，即使在相同的频带内。本文介绍了未来的移动终端天线设计的概述2. 天线设计环境和要求移动终端通常包括智能手机、笔记本电脑、平板电脑、移动无线保真（MiFi）、数据卡、智能手表、蓝牙（BT）耳机、路由器、物联网（IoT）、智能屏幕、客户端设备（CPE）、增强现实（AR）设备、虚拟现实（VR）设备和汽车。移动终端的天线设计技术对移动终端的工业设计（ID）、架构、电池容量、通话和空闲时间、用户体验、市场准入、通信容量和法律要求具有非常重要的影响。人们普遍认为，智能手机天线的设计是天线工程师最具挑战性的任务，因为智能手机的光滑ID，高度集成的架构以及与人体的交互。图1示出了智能电话的简化天线设计环境，其包括金属框架、印刷电路板（PCB）/显示器金属面板、电池以及包括通用串行总线（USB）、用户识别模块（SIM）卡保持器、音频-视频（AV）插孔、电源键和音量键的若干部件。金属框架与PCB/显示器金属面板之间的间隙通常小于1.0 mm，以实现较大的屏幕与机身比例。在金属框架和PCB/显示器之间有许多连接点金属面板来创建天线的接地点。金属框架可以被切割以形成几个开口槽，使天线辐射器在一侧短路而在另一侧开路，以便将天线尺寸从半波长减小到四分之一波长并提高天线带宽和效率。对于5G智能手机，所需的天线是：多频带主天线：长期演进（LTE）/新无线电（NR）（698多频带分集天线：LTE/NR（6984 4 MIMO天线：LTE/NR（1710-2690 MHz）;4 4 MIMO天线：NR（3300全球导航卫星系统天线：GPS/GLO-NASS/Galileo/BeiDou（1176和1575三频22 MIMO天线：无线保真（WiFi）（2400三个双频超宽带（UWB）天线：UWB（6240两个或三个毫米波AiP模块：AiP（24.25● 近场通信（NFC）天线：NFC（13.56 MHz）。Fig. 1. 智能手机的简化天线设计环境。PCB：印刷电路板; SIM：用户识别模块;USB：通用串行总线; AV：https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.04.0312095-8099/©2021 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/eng●●●●H. 王工程11（2022）1213×天线的总数是15 -20，并且如果实现载波聚合（CA）/E-UTRAN新无线电双连接（ENDC）和88 MIMO，则该数量可以进一步增加到25-30。除了需要大量的天线外，所有的天线都必须满足相关的设计指标，包括带宽、自由空间效率、手持和手持头旁效率、天线之间的隔离度、功率谱密度（PSD）和比吸收率（SAR）。由于金属框架的金属尺寸和离地位置，金属框架通常用作大多数天线的最佳天线辐射器，特别是用于低频段和中频段的LTE/NR主天线和分集天线平面倒F天线（PIFA）、贴片和毫米波AiP模块等地面天线可以放置在PCB/显示器金属面板上方或电池盖的背面;然而，这些天线的工作频率通常需要高于3.0 GHz以保证良好的性能，因为这些天线的高度通常不超过1.0 mm。此外，光学透明天线可以放置在移动终端显示器上，以减少人体3. 移动终端天线的天线概念如图2所示，移动终端天线的传统天线概念可以被分类为①倒F天线（IFA）/PIFA[2]、②螺旋天线[3]、③环形天线[4]、螺旋复合右/左手（CRLH）激励天线[5]和螺旋缝隙天线[6]。这些天线的工作原理在这些参考文献和参考文献中有详细记录。[7、8]。除了传统的概念，可重构天线-主要是频率可重构天线[9]-已被广泛用于移动终端天线设计，以扩展其阻抗带宽。具有方向图和极化可重新配置特征的天线对于MIMO应用也变得越来越有趣[10]。与用于基站、机载雷达和许多其它类型的通信设备的天线设计不同，很少有用于设计用于移动终端的天线的系统理论和复杂方法，即使该任务变得越来越复杂和具有挑战性，特别是对于未来的移动终端。原因在于，如图2所示，移动终端广泛使用的天线作为共模（CM）操作。这些共模天线主要通过其图二. 移动终端天线的传统概念。IFA：倒F天线; CRLH：复合右/左手天线。直接连接到天线，如PCB和整个移动终端内的所有金属部件。与其他任何与主差模（DM）相关的天线相比，在移动终端天线设计中使用CM的主要优点包括更小的天线尺寸、更大的辐射孔径、更宽的阻抗带宽和更高的辐射效率。惩罚是控制天线辐射方向图的困难然而，由于移动终端的方位可以是任意的，因此在移动终端天线设计中，天线辐射效率比天线辐射方向图更重要这反映在所需的空中（OTA）性能上，包括总辐射功率（TRP）和总辐射灵敏度（TRS），其分别由射频（RF）前端的传导功率和传导灵敏度结合天线辐射效率定义由于共模和“环境”辐射的如第2节所述，对于智能手机的天线设计，必须在非常有限的空间内布置非常大量的天线传统的解决方案是采用双工器和多路复用器来设计覆盖宽频带和多频带的单馈共辐射器天线。除了上面概述的天线概念之外，最近已经提出了用于设计用于移动终端的单馈电宽带和多频带天线的CM和DM的概念[11]。所提出的天线的最显著的特征之一是在天线设计中采用CM和DM在这个提出的天线概念中，定义了线CM/DM和槽CM/DM单元天线，其中天线单元必须不对称地放置或馈电，以便实现宽带或多频带特征。与用于移动终端天线的所有其它天线概念相反，已经引入了线DM和槽DM（即，半波长偶极模式和半波长槽模式）以产生附加谐振，从而增加带宽。还可以激励更高阶的模式以进一步提高天线的带宽。由于所提出的线CM/ DM和槽CM/DM的设计方法比传统方法更严格和系统，因此预计它将在未来移动终端对于典型的5G NR MIMO天线设计，需要在相同频带下操作的两个天线，同时必须满足两个天线之间的高隔离度，尽管由于非常拥挤的设计环境而通常将天线放置得很近。很明显，这种设计困难不能通过利用滤波器、滤波器和多路复用器来解决。为了节省天线体积并在有限的空间内放置更多的天线，提出了将两个天线设计成一对的概念[12]，并通过使用互补电流分布原理获得良好的隔离。提出了一种正交模式设计方法来进一步解决这个问题[13]。天线对中的两个天线在对称放置时具有正交极化，并且两个天线之间实现了良好的隔离。另一个主要步骤是在具有相同频带和高隔离度的天线对的设计中明确定义CM/DM概念[14，15]，尽管正交极化特征在某种程度上类似于参考文献[13]。然而，在上述所有天线对中，两个天线是导线型或金属片型。参考文献[16]中提出了一个更全面和对称的概念。在该天线概念中，定义了四个单元天线：线CM、线DM、槽CM和槽DM。因此，存在由四个单元天线产生的六对组合。在六个组合的天线对中，四个是具有固有高隔离特性的天线对，这归因于它们的正交极化，而另外两个也可以H. 王工程11（2022）1214××如果天线对中的一个天线旋转90°，则获得高度隔离。这一天线设计概念显著增加了设计5G NR MIMO天线的自由度，即从1增加到6。六个组合天线对的两个设计示例可以在参考文献中找到。[17、18]。通常使用的UWB天线是具有柔性基板的天线，其放置在PCB/显示器金属面板上方，以低损耗液晶聚合物（LCP）或改性聚酰亚胺（MPI）作为天线基板。UWB天线的设计是典型的双频PIFA或偏馈双频贴片天线。由于其工作频率高于6000 MHz，因此0.3毫米波AiP模块的设计类似于传统相控天线阵列的设计。通常，AiP模块是贴片天线阵列或磁电（ME）偶极子[19]阵列，其具有1个4或2个2个具有正交双极化的天线元件。这种天线阵列设计的挑战是满足宽带、多频带、高增益、宽扫描角、小尺寸和低高度的严格要求。智能手机中NFC天线的传统解决方案是使用混合分布式/集总电感器作为低通滤波器，与蜂窝天线共享金属框架辐射器的一部分NFC天线的其他解决方案包括具有线圈的铁氧体片，或与移动终端的金属盖结合的线圈[20]。4. 总结未来移动终端的天线设计，特别是智能手机，由于空间非常有限，天线数量大，设计要求和规格非常严格，面临着巨大的挑战。用于单馈和双馈天线的CM/DM天线概念为宽带、多频带和5G NRMIMO天线的设计提供了全面而系统的解决方案。这些概念将在未来移动终端的天线设计领域中得到广泛的应用引用[1] Silva ZJ，Valenta CR，Durgin GD.光学透明天线：透明微波导体性能和应用的综述。 IEEEPropag Mag 2021;63（1）：27-39.[2] 刘 ZD ， 霍 尔 PS ， 韦 克 D 。 双 频 平 面 倒 F 天 线 。 IEEE TransEscheras Propag1997;45（10）：1451-8.[3] 王宏，郑明. 三频无线局域网天线。IET Microw Reynas Propag 2008;2（4）：367-72.[4] 郑明，王宏，郝燕.内置六频折叠双极/偶极/环形天线，具有四个谐振，适用于移动终端。 IEEE Trans Escheras Propag2012;60（6）：2880-5.[5] 王华，李杰，发明人;华为技术有限公司，受让人。天线和移动终端。美国专利US10224605B2。2019年3月5日欧洲联盟专利EP 3035442 B1。2019年9月19日。中国专利CN 104396086 B. 2016年9月28日。[6] 王华，郑明，张圣强，庄臣，发明人;华为技术有限公司，受让人。单极缝隙天线。美国专利US 6618020 B2。 2003年9月。[7] 张志移动设备的天线设计第2版Piscataway：Wiley-IEEE Press; 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