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不同手部位置下的多输入多输出(MIMO)手机天线阵列性能仿真 | Remcom

作者:Kaitlyn Brickley| Mar 12, 2018 2:20:15 PM


本文提出了一种 12 端口5G 大规模 MIMO移动终端的设计方案,该终端可在 6 GHz 以下频率范围工作,特别是 LTE 频段 42(3400-3600 MHz)、频段 43(3600-3800 MHz)和频段 46(5150-5925 MHz)[1]。 通过在手机印刷电路板边缘间隔使用几种不同的天线设计,该设备在频段 42/43 中的 8x8 MIMO 操作和频段 46 中的 6x6 MIMO 操作中表现出色。 在XFdtd中模拟了天线的性能,首先是手机单独运行时的性能,然后是单手或双手抓握时的各种配置。 评估的性能标准包括回波损耗、天线之间的隔离度、效率、增益和包络相关系数(ECC),后者是天线对分集性能的指标。

天线布局

该设备如图 1 所示,12 个天线元件清晰可见,并标注在印刷电路板的边缘。 左上角和左下角是双波段倒 PI 形天线,可在考虑的所有波段内工作。 这些天线在后面的图中有时标为 IA,编号为天线 1 和 2。 沿天线两侧有六个较长的倒 L 型开槽天线(LA),用于低频段(LTE 42/43),以及四个较短的倒 L 型开槽天线(SA),用于 LTE 频段 46。 LA 天线和 SA 天线在两侧交替出现,每侧有三个 LA 天线和两个 SA 天线。 天线的编号为右侧 3 至 7(3、5 和 7 为 LA),左侧 8 至 12(8、10 和 12 为 LA)。 双频天线的设计是,低频段和高频段的天线臂一长一短。 在图 2 中,天线 1 的长臂上有 3.6 千兆赫的传导电流,短臂上有 5.5 千兆赫的传导电流。 为便于比较,图 3 显示了 LA 和 SA 天线的两个元件。

图 1:XFdtd 软件界面中的设备 CAD 视图,屏幕和所有天线位于 XY 平面上。天线元件在设备边缘编号为 1 至 12。

图 2:图中左侧显示的是 XFdtd 在 3.6 GHz 的 LTE 频段 42/43 范围内计算的天线元件 1 长臂上的传导电流。右图为 LTE 频段 46 范围内 5.5 GHz 频率下天线元件 1 短臂上的传导电流。

图 3:在 XFdtd 接口视图的顶部,是位于设备边缘、用于 3.6 GHz 操作的长臂开槽(LA)天线。底部是用于 5.5 GHz 的短臂开槽(SA)天线。

自由空间模拟

作为衡量性能的标准之一,将考虑各种天线的 S 参数,以显示天线的回波损耗和隔离度。 图 4 显示了天线 1 和 2(顶部和底部的 IA 天线)的回波损耗以及它们之间的 S21。 从图中可以看出,在较低的 LTE 42/43 频段和较高的 LTE 46 频段中,天线具有良好的回波损耗值。 由于天线位于 PCB 的两端,因此这两个频段的 S21 值都很低。 图 5 显示了所有 LA 天线在 LTE 42/43 频段的回波损耗。 图 6 显示了频段 46 中 SA 天线的回波损耗以及相邻 SA 天线之间和相邻 SA 与 IA 天线之间的隔离度。 图 7 显示了低频段相邻 LA 天线之间(以及相邻 LA 和 IA 天线之间)的隔离度。 在所有情况下,结果都在回波损耗低于 -6 dB(3:1 VSWR)和隔离度为 -11 dB 或更高的设计公差范围内。

图 4:天线 1 和天线 2 在设备所有工作频段的 S 参数。有两个不同的工作区域:3.6 千兆赫左右和 5.5 千兆赫左右。这两个区域的回波损耗都远低于所需的水平,而由 S21 确定的隔离度则低至 -18 dB 左右。

图 5:所示为低频段(LTE 42/43)所有天线的回波损耗,结果非常好。

图 6:图中显示了较高频段(LTE 46)的回波损耗和选择元件的隔离度,结果良好。

图 7:LTE 频段 42/43 中选择元素之间的隔离情况。

天线性能可通过查看不同元件在其工作频段内的效率和增益来确定。 图 8 显示了 LTE 42/43 频段天线的效率,其中 IA 天线(1 和 2)的效率较高,LA 天线(3、5、7、8、10 和 12)的效率适中。 如图 9 所示,在 LTE 46 频段,天线性能更好,效率超过 50%。 在 XY 平面(设备屏幕平面)上绘制了不同天线组合的增益图。 在每种情况下,天线增益模式都设计为从设备中心向外辐射。 图 10 显示了 LTE 频段 42/43 的 IA 天线增益,从图中可以看出,天线与设备屏幕角落成 45 度角时增益最大。 图 11 显示了手机右侧 LTE 42/43 频段 LA 天线的增益,在每种情况下,最大增益都沿 X 轴,远离屏幕中心。 图 12 显示了 LTE 46 频段中手机右侧 SA 天线的增益,具有类似的特征。

图 8:LTE 频段 42/43 的天线效率。手机两端的两个 IA 天线(1 号和 2 号)效率较高,超过 60%,而手机两侧的 LA 天线效率较低,在 35% 到 50% 之间。

图 9:在较高的 LTE 46 频段,所有天线的效率都高于约 50%,显示出良好的性能。

图 10:两个 IA 天线在 XY 平面上的增益模式显示了器件各自角落的增益峰值。


图 11:LA 天线的增益峰值位于设备外缘。在这种情况下,设备右侧的天线显示出 +X 方向的增益峰值。


图 12:与 LA 天线类似,SA 天线的增益峰值位于设备外缘。图中 4 号和 6 号天线的增益峰值位于 +X 方向。

要评估天线对的分集性能,除了隔离度之外,一个重要的衡量标准就是包络校正系数(ECC)。 这一指标可用于确定设备在分集和多路复用应用中的工作性能,在这些应用中,单个天线独立于其他天线的性能非常重要。 ECC 的基本标准是小于 0.5。 图 13 和图 14 分别比较了 LTE 42/43 频段和 LTE 46 频段中不同天线对的 ECC。 所有图都远远低于 0.5 的限制,LTE 42/43 频段中 8 号和 10 号天线之间的相关性最大,约为 0.15。

图 13:LTE 频段 42/43 天线的包络相关系数 (ECC) 相当不错,峰值为 0.15。

用手模拟

如图 15 所示,为进一步测试手机在更真实条件下的操作,引入了单手和双手配置的手部模型。 这些位置分别为左右手握持、双手侧放模式和双手拇指打字配置。 根据手的位置,某些天线会被覆盖,性能也会受到影响。 不过,由于设备两侧都有多根天线,因此在大多数情况下,仍有多根天线可以使用,而且性能良好。

图 14:LTE 频段 46 天线的包络相关系数 (ECC) 非常好,没有两根天线高于 0.05。

图 15:所示为研究中使用的 "可摆姿势的手"模型的四个位置,这些位置是通过 XFdtd 中的控件定位的。从左上角开始顺时针方向依次为:左手握住、双手放在两侧、双手打字和右手握住。

虽然在某些情况下回波损耗会受到很大影响,但所有手持位置的 S 参数性能都保持良好。 例如,图 16 显示了 LTE 频段 42/43 天线在左手和右手握持位置时的回波损耗,与图 5 所示的手机单独使用时的回波损耗相比有明显差异。 同样,如图 17 所示,在 LTE 频段 46 工作的 SA 天线也会因左右手持位置的不同而发生变化。 如图 18 和 19 所示,对于两个手持位置,由于手没有直接覆盖天线,因此对相同天线的 S 参数的干扰较小。

图 16:左右手握持手机时,LTE 频段 42/43 天线的回波损耗结果有所变化,但仍然足够好。

图 17:左右手握住手机时,LTE 频段 46 天线的回波损耗和隔离度仍可接受。

图 18:在两种手动配置中,LTE 42/43 频段的回波损耗仅略有变化,仍然可以接受。

图 19:在较高的 LTE 频段 46,两种手形配置对回波损耗和隔离度的影响很小。

可以预见,手的存在会极大地影响效率。 模式被打乱,功率在手部组织中损耗,导致性能下降。 图 20 显示了一个极端的例子,在 LTE 频段 42/43 中,两只手放在两侧的情况下,峰值效率仅为 35%左右。 所研究的其他情况则具有更好的性能。  

图 20:手机上的手对效率影响很大。这里显示的是双手放在两侧情况下 LTE 频段 42/43 的效率,没有天线的效率超过 35%。

增益模式受手机手部位置的影响是可以理解的。 图 21 显示了单手拿手机时,LA 六根天线在 LTE 频段 42/43 下的三维图案。 如图 22 所示,当左手拿着手机时,一些图案,特别是拇指旁的天线 10 会受到很大影响,增益也会大大降低。 对于频率较高的 LTE 频段 46 SA 两侧天线,当设备单独使用时,会出现相当均匀的图案,如图 23 所示。 当双手放在两侧,手指紧靠底部两个天线时,如图 24 所示,底部天线(4 和 6)的图案与顶部天线(9 和 11)相比有所减少。 对于双手打字配置和相同的天线,如图 25 所示,由于大拇指位于屏幕中间,顶部天线的增益有所增加。 总之,所有配置的峰值增益详见表 1 和表 2。

图 21:图示为设备单独位于自由空间时,六根 LA 天线在 3.6 GHz(LTE 频段 42/43)的三维增益模式。每根天线都按预期向设备外边缘辐射出峰值增益模式。

图 22:在 LTE 频段 42/43 中,左手拿着手机时,增益模式发生了变化,拇指下方的中心模式(天线 10)的增益大大降低。

图 23:在 LTE 频段 46 中,三维增益模式显示了器件外侧的增益峰值。

图 24:在 LTE 频段 46 的双手侧位中,手机底部(天线 4 和 6)的增益模式受到手指存在的干扰,与上部模式相比有所减弱。

图 25:在 LTE 频段 46 的双手打字配置中,上部图案(天线 9 和 11)受到拇指的影响而增强,产生反射效果。

表 1:显示了五种配置的每种天线在 3.6 GHz(LTE 频段 42/43)的峰值增益。

表 2:5.5 GhHz(LTE 频段 46)频率下五种配置的每种天线的峰值增益


可以预料,ECC 结果也会受到手的影响。 不过,在所有情况下,ECC 都能如愿保持在 0.5 门限以下。 如图 26 和 27 所示,LTE 频段 42/43 天线左右手握持位置的 ECC 结果最差,高达 0.4。 LTE 频段 46 的所有情况下,ECC 都低于 0.2。


图 26:图中显示了在 LTE 频段 42/43 下右手持握情况下的最差 ECC,其中天线 3 和天线 5 之间的相关性高达 0.4。这仍低于 0.5 的临界值。

图 27:在 LTE 频段 42/43 的左手持握位置,8 号和 10 号天线的 ECC 最高,峰值约为 0.33。

可以看出,12 端口天线在各种使用配置下都能提供非常出色的性能。 虽然某些手部位置会降低被遮挡天线的性能,但也有其他天线可以维持运行。

参考资料

[1] 李一心、Chow-Yen-Desmond Sim、罗勇、杨光利:《12 端口 5G Massive MIMO 天线阵列在 6GHz 以下移动手机中的 LTE 频段 42/43/46 应用》,IEEE Access 第 6 卷,第 344-354 页,2018 年。