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。
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。
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。
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 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。