HFSS在手机MIMO天线中的应用

1、前言

无线通信正朝着大容量、高传输率和高可靠性的方向发展。近年来，频率资源的严重不足已经成为遏制无线通信发展的瓶颈。多输入多输出(MIMO)技术无需要额外的发射功率和频谱资源，就可以极大地提高无线通信系统的容量，故MIMO技术已经成为当前研究的一个热门课题，是众多方法中很有潜力和优势的一项技术。而小型的，适用于手机系统中的MIMO天线的设计是MIMO无线通信系统的关键的、难以攻克的技术之一。

与传统手机天线相比较，手机MIMO天线设计更加困难，这是因为手机系统中可被MIMO天线利用的空间有限。将多个天线集成在有限的空间中，天线单元间会存在很强的互耦。强烈的互耦会导致MIMO天线辐射功率变小，MIMO系统的性能下降，故减小互耦是手机MIMO天线设计的一大难点。传统天线设计方法是由设计师根据天线的分析理论以及自己的经验通过编程进行数值计算的方法来确定天线各参数的初始值，得到计算理论上的模型后，再根据实际实验进一步调整设计。对手机MIMO天线设计而言，这种传统手机设计方法几乎行不通，因为手机MIMO天线单元间的互耦无法根据公式事先设计。HFSS软件的出现，使得设手机MIMO天线的设计变得可实现而且简便快捷、准确。通过对仿真模型的优化改进，就可以设计出满足电气性能的MIMO天线，避免了不必要的重复加工测试费用。随着技术的发展，HFSS的功能更加完善、界面更加人性化，建模更加简单，仿真、优化功能和速度也不断在改进。

本文就是利用HFSS11软件对手机MIMO天线进行设计仿真和优化。本文利用HFSS11，设计出一种两单元小型双频手机MIMO天线。该天线由两个相同的、相互垂直的、由两条金属带组成的单元天线组成，单元天线的尺寸仅仅为15×10.5×0.8mm3。天线的低频带宽为1.62-3.6GHz（|S11|≤-10dB，|S21|≤-13dB），高频带宽为4.44-5.92GHz（|S11|≤-10dB，|S21|≤-17dB）。

2、小型双频手机MIMO天线设计

天线的设计首先要建立模型，根据天线理论首先设计出天线模型的初始模型，接着就可以直接在HFSS的编辑环境中建模，同时设置材料特性，定义端口和边界条件，然后设定工作频率等等，这些在此不再详述。本文所提出的手机MIMO天线的结构如图1所示，图2是该手机MIMO天线在HFSS中的建模。图1中所示的天线尺寸为在HFSS中优化后的值。

如图1所示，该MIMO天线由两个该天线由两个相同的、相互垂直的单元天线组成，单元天线的尺寸仅仅为15×10.5×0.8mm3。每个天线单元由两个分别印制在基板两面的辐射金属带组成。金属带的重叠部分形成双带线结构，它能给电感性的天线引入部分电容，从而改善天线的阻抗带宽。两个天线单元分别向不同的方向倾斜45度，这是为了减小天线近场所引起的互耦。尺寸为47×45mm2的地板上刻有一条细缝（1×13.6mm2），该细缝的作用是为了减小两天线单元间的，由于地板表面电流引起的互耦。

3、仿真与测试结果

图3为该天线的S参数测试与HFSS12.0仿真比较图。从图中可见，天线的S参数的测试与仿真结果非常吻合。该MIMO天线的低频带宽为（|S11|≤-10dB，|S21|≤-13dB）1.62-3.6GHz，覆盖了DCS-1800、PCS-1900、IMT-2000/UMTS、2.5-GHzWLAN2.5/3.5-GHzWiMAX,高频带宽为（|S11|≤-10dB，|S21|≤-17dB）4.44-5.92GHz覆盖了5.2/5.8-GHzWLAN和5.5-GHzWiMAX。

分析电流分布图是研究MIMO天线单元间互耦的方法之一，图4为该手机MIMO天线在高低频的中心频率处的电流分布图。根据地板表面电流和激励天线单元在非激励天线单元上诱发的耦合电流，适当地调整地饭细缝的尺寸，则可以改变地板表面电流的分布，减小非激励天线单元上的耦合电流，从而减小天线单元间由于表面电流引起的互耦。为了证明天线单元的垂直放置有利于减小天线近场引起的互耦，图5给出了两个带传统地板的MIMO天线的S参数比较图，其中一个MIMO天线的两个天线单元垂直放置，另外一个MIMO天线的两天线单元平行放置。观察图5可以知道，在天线的低频工作带宽内，天线单元的垂直放置使得隔离度提高了2.2dB。由此可以知道，借助HFSS在仿真阶段找到合适的去耦方法，从而避免盲目加工测试带来的资源和时间浪费。

在设计天线的时候应当考虑到天线的性能是否稳定，位于天线附件的电气元件对天线性能有怎样的影响，而且这些影响在仿真设计阶段就应该弄清楚，然后在测试过程中加以验证。利用HFSS软件，图6给出了在MIMO天线附近放置一个金属盒的模型已经该金属盒对MIMO天线S参数的影响。从该图可以看到该MIMO天线对放置在其附近的电气元件有比较强的鲁棒特性，即天线的性能稳定。

图7为MIMO天线的测试与仿真二维辐射方向比较图，从图中可以看到，实测结果与HFSS的仿真结果非常吻合。故可以证明HFSS的仿真结果十分准确。同时还可以观察到天线在H面具有较好的全向辐射性能，天线单元1的增益的最小值出现在+Y轴的±45o内，这是因为天线单元2位于天线单元1的+Y轴方向。天线单元1和2沿着XOY面对称，故天线单元2的辐射方向图与天线单元1的辐射方向图也就沿着XOY面对称，即是天线单元2的增益的最小值出现在-Y轴的±45o内，因为天线单元1位于天线单元2的-Y轴方向。这种特性，有利于进一步减小天线单元间的互耦。

4、结论

本文通过对手机MIMO天线的设计发现，HFSS12.0软件能很好地为MIMO天线工程设计提供帮助,使得MIMO天线设计简单、快捷、低成本，还可以帮助天线设计人员了解、分析天线单元间的互耦，以便寻找合适的去耦方法。HFSS12.0软件三维建模及数据转换读取功能强大，仿真结果与天线的实测结果基本一致，从而大大提高了工作效率和设计的成功率。