面向Sub 6G 終端設(shè)備的三頻天線設(shè)計(jì)

周云艷,趙年順

(黃山學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,安徽 黃山 245041)

2019年11月1日,中國三大移動(dòng)運(yùn)營商正式上線5G 商用套餐,標(biāo)志著我國正式進(jìn)入5G 商用時(shí)代。5G具有更豐富的應(yīng)用場(chǎng)景,要求更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。為了滿足5G 通信的需求,國家工信部給各大移動(dòng)運(yùn)營商分配了新的頻譜資源,由于技術(shù)等原因,我國暫時(shí)只分配了Sub 6G 頻段,具體包括中國移動(dòng)2515～2675 MHz(n41)與4800～4900 MHz(n79)兩個(gè)頻段共260 MHz,中國電信3400～3500 MHz(n78)的100 MHz頻段,中國聯(lián)通3500～3600 MHz(n78)的100 MHz,以及中國廣電4900～5000 MHz(n79)的100 MHz。這就意味著5G 終端用戶要實(shí)現(xiàn)在不同運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行切換,必須能夠同時(shí)滿足這些不同的頻段。

利用單一天線實(shí)現(xiàn)在多種通信標(biāo)準(zhǔn)下的多個(gè)頻段工作具有巨大的應(yīng)用價(jià)值,它能夠減少天線的數(shù)量,減小系統(tǒng)的復(fù)雜度,解決不同天線之間的相互耦合問題,為設(shè)備的集成化與小型化帶來便利。近年來多頻天線問題受到研究者們的廣泛關(guān)注,提出了多枝節(jié)[1～4]、耦合[5～7]和多模[8]等方法。文獻(xiàn)[1]提出了一種風(fēng)車型多頻天線,通過增加風(fēng)車葉片的個(gè)數(shù)來增加工作頻帶數(shù),設(shè)計(jì)了具有雙頻、三頻以及四頻的天線,工作在UMTS (2.1 GHz)/WLAN (2.45 GHz)/WiMAX(3.5 GHz)以及X頻段衛(wèi)星下行通信(7.2～7.6 GHz)等頻段。文獻(xiàn)[3]利用在共面波導(dǎo)饋電的三枝節(jié)天線的地板上刻蝕缺口,實(shí)現(xiàn)了能滿足WLAN/WiMAX 應(yīng)用的2.36～2.82 GHz,3.28～3.88 GHz以及4.50～6.53 GHz多個(gè)頻段覆蓋。文獻(xiàn)[5]采用混合饋電方式的印刷多頻單極子天線,覆蓋了WLAN/WiMAX 工 作 頻 段2.42 ～2.82 GHz 和3.4 ～5.85 GHz。

現(xiàn)有的多頻天線工作頻段應(yīng)用環(huán)境各不相同,面向Sub 6G的多頻天線目前研究相對(duì)較少。此外,在現(xiàn)有的多枝節(jié)技術(shù)中,一般采用多枝節(jié)的輻射貼片,地板枝節(jié)少有討論。本文利用單極子天線的工作原理,通過在輻射貼片上設(shè)置兩個(gè)枝節(jié),在地板上設(shè)置一個(gè)枝節(jié),實(shí)現(xiàn)了n41/n78/n79這三個(gè)頻段的同時(shí)覆蓋,以滿足Sub 6G終端設(shè)備的通信要求。

1 天線結(jié)構(gòu)

根據(jù)單極子天線的工作原理,天線由單極子和相應(yīng)的地平面構(gòu)成。傳統(tǒng)的單極子天線是在對(duì)稱中心加一無限大平面利用鏡像原理去掉偶極子的一臂而形成。本設(shè)計(jì)在介質(zhì)板的一側(cè)印刷平面單極子,而介質(zhì)板的另一面作為地板充當(dāng)鏡像平面,通過調(diào)整地板面積實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

天線采用廉價(jià)的玻璃纖維環(huán)氧樹脂F(xiàn)R4介質(zhì)基板,相對(duì)介電常數(shù)為4.4,損耗角正切為0.02,厚度為0.8 mm。天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示,為了實(shí)現(xiàn)三個(gè)頻段的覆蓋,天線采用多枝節(jié)的單極子結(jié)構(gòu),輻射貼片中采用了兩個(gè)分支,右側(cè)L型短枝節(jié)實(shí)現(xiàn)最高頻段n79,左側(cè)Z型長(zhǎng)枝節(jié)實(shí)現(xiàn)中間頻段n78,同時(shí)在地板上增加了一個(gè)倒L型枝節(jié)用于實(shí)現(xiàn)最低頻段n41。天線通過50Ω微帶線進(jìn)行饋電。

單極子天線的長(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng),因而天線越長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的信號(hào)波長(zhǎng)越長(zhǎng),即頻率越小。由式(1)可以計(jì)算自由空間中電磁波的波長(zhǎng)。但是由于采用了介質(zhì)板,電磁波信號(hào)一部分在自由空間傳播,另一部分在介質(zhì)板中進(jìn)行傳播,因而還需要考慮介質(zhì)板的相對(duì)介電常數(shù),此時(shí)波長(zhǎng)由式(2)可以計(jì)算。在設(shè)計(jì)單極子天線長(zhǎng)度時(shí),需要綜合考慮兩個(gè)波長(zhǎng),以選取一個(gè)合適的值。

式中:λ與λe分別表示自由空間和介質(zhì)中的波長(zhǎng);c表示電磁波的傳播速度;f表示電磁波的頻率;εr表示介質(zhì)板的相對(duì)介電常數(shù)。

圖1 天線的結(jié)構(gòu)Fig.1 The geometry of the proposed antenna

2 天線設(shè)計(jì)與優(yōu)化

圖2所示為天線的設(shè)計(jì)演變過程,圖3為相應(yīng)四個(gè)天線的回波損耗S11。Ant1在輻射貼片中只設(shè)置了一個(gè)枝節(jié),產(chǎn)生了一個(gè)諧振頻率。Ant2在輻射貼片中設(shè)置了兩個(gè)枝節(jié),由于天線尺寸限定,兩枝節(jié)長(zhǎng)度相差不大,因而產(chǎn)生的兩個(gè)諧振頻率相互靠近,形成了3.6～5.1 GHz的連續(xù)波段。為了減小諧振頻率,將左邊長(zhǎng)枝節(jié)進(jìn)行彎折,增加總長(zhǎng)度,形成Ant3,可以看到有3.5 GHz和4.75 GHz左右的兩個(gè)諧振頻率。Ant4在地板上又增加了倒L枝節(jié)后,新產(chǎn)生一個(gè)2.5 GHz左右的諧振點(diǎn),并對(duì)其他兩個(gè)諧振點(diǎn)稍有影響。

圖2 天線的設(shè)計(jì)過程Fig.2 The evolution of the proposed antenna

為了進(jìn)一步說明天線的工作原理,仿真了天線主要參數(shù)變化對(duì)性能的影響,如圖4所示。Z型枝節(jié)長(zhǎng)度L2的變化對(duì)天線的影響如圖4(a)所示,可以看到L2主要影響中頻段的諧振頻點(diǎn),隨著L2的增大,中間諧振頻點(diǎn)逐漸向低頻方向移動(dòng),而最低和最高諧振頻點(diǎn)變化很小。如圖4(b)所示,L型枝節(jié)長(zhǎng)度L5的變化主要影響高頻段,對(duì)最低諧振頻點(diǎn)和中間諧振頻點(diǎn)影響不大,當(dāng)L5由7 mm增大到11 mm時(shí),最高諧振頻點(diǎn)從5.8 GHz減小為4.2 GHz左右。圖4(c)表示地板上倒L型枝節(jié)的長(zhǎng)度L6對(duì)天線性能的影響,當(dāng)L6在17～21 mm之間改變時(shí),最高諧振頻點(diǎn)和中間諧振頻點(diǎn)幾乎不變,但是最低諧振頻率卻影響很大,從2.7 GHz逐漸變?yōu)?.1 GHz左右。因而,可以通過依次調(diào)節(jié)各枝節(jié)長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)2.5,3.5和4.9 GHz三個(gè)諧振頻率。圖4(d)則表示微帶饋線長(zhǎng)度Lf對(duì)天線性能的影響,Lf的變化不但使回波損耗的大小發(fā)生了改變,而且中頻和高頻諧振點(diǎn)也隨之變化,主要是因?yàn)檫@兩個(gè)頻點(diǎn)的枝節(jié)與微帶饋線相連,Lf長(zhǎng)度的變化直接影響天線總長(zhǎng)度變化,從而改變諧振頻點(diǎn)。圖4(e)中調(diào)整Lg使地板面積的大小發(fā)生變化,諧振頻點(diǎn)和阻抗都隨之改變。因而主要通過調(diào)節(jié)微帶饋線及地板面積實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

圖3 天線設(shè)計(jì)過程中的S 11參數(shù)Fig.3 The return loss of the antennas in evolution

圖4 天線參數(shù)對(duì)諧振頻點(diǎn)的影響Fig.4 Simulated S 11 for different parameters

圖5顯示了各諧振頻點(diǎn)的表面電流分布情況。2.58 GHz時(shí)輻射貼片兩個(gè)枝節(jié)的電流相當(dāng),地板倒L型枝節(jié)電流很強(qiáng),說明此時(shí)地板倒L型枝節(jié)起主要作用。在3.5 GHz時(shí)輻射貼片左側(cè)Z型枝節(jié)電流強(qiáng)度明顯大于右側(cè)L型枝節(jié)電流,說明左側(cè)Z型枝節(jié)在中頻段影響最大。4.9 GHz時(shí)輻射貼片右側(cè)L型枝節(jié)電流強(qiáng)度明顯大于左側(cè)Z型枝節(jié)電流,說明右側(cè)L型枝節(jié)在高頻段影響最大。微帶饋線的電流在中頻和高頻兩個(gè)頻率點(diǎn)強(qiáng)度都很大,地板電流強(qiáng)度在三個(gè)頻率點(diǎn)也都比較大,對(duì)天線的阻抗匹配調(diào)節(jié)極其重要。這與前述天線參數(shù)分析結(jié)果一致。

圖5 各諧振頻點(diǎn)的電流分布Fig.5 Surface current distributions of the antenna at resonant frequency

3 結(jié)果與討論

通過對(duì)天線的進(jìn)一步仿真優(yōu)化,最終確定天線各參數(shù)尺寸如表1所示,天線的最終尺寸為25 mm×25 mm×0.8 mm。圖6為加工的天線實(shí)物圖。

表1 天線的參數(shù)尺寸Tab.1 Dimensions of the proposed antenna mm

圖6 天線實(shí)物圖Fig.6 Prototype of the proposed antenna

天線仿真與測(cè)試的回波損耗S11參數(shù)如圖7所示,仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致,誤差產(chǎn)生的原因主要有加工精度與測(cè)量誤差。從圖中看出該天線工作在三個(gè)頻段,-10 dB 帶寬分別為2.38～2.68 GHz(共300 MHz,中心頻率點(diǎn)2.58 GHz處-28 dB),3.25～3.63 GHz(共380 MHz,中心頻率點(diǎn)3.5 GHz處-21 dB),以及4.45～5.26 GHz(共810 MHz,中心頻率點(diǎn)4.9 GHz處-27 dB)。

圖7 天線仿真與測(cè)試回波損耗S 11參數(shù)Fig.7 Simulation and measurement S11 of the proposed antenna

圖8為天線在三個(gè)諧振頻點(diǎn)2.58,3.5 和4.9 GHz的E面和H 面增益方向圖。各頻點(diǎn)方向圖都近似圓形,天線都具有較好的全向性,覆蓋范圍廣。此外在三個(gè)頻點(diǎn)處的最大增益分別為1.51,2.77 和3.55 dBi,天線增益較大,說明天線的輻射距離遠(yuǎn)。

天線的史密斯圓圖如圖9所示,在三個(gè)諧振頻點(diǎn)的歸一化阻抗分別為0.9363-0.0943i,0.8396-0.1258i以及0.7155+0.4800i,說明天線在各頻點(diǎn)阻抗匹配良好。

圖8 增益方向圖Fig.8 Radiation pattern

圖9 天線史密斯阻抗圓圖Fig.9 Smith chart of the proposed antenna

天線在最大輻射方向上增益隨頻率的變化曲線如圖10所示,在整個(gè)頻段內(nèi)天線的增益均大于1 dBi,最大增益為3.58 dBi,-3 dB增益帶寬覆蓋整個(gè)頻段。

設(shè)計(jì)的天線與相關(guān)參考文獻(xiàn)天線的主要性能比較如表2所示。與文獻(xiàn)[1-2,4]相比,提出的天線具有更小的尺寸,便于實(shí)現(xiàn)小型化。而且所設(shè)計(jì)的天線覆蓋范圍是為了滿足Sub 6G終端設(shè)備的通信要求,而其他天線應(yīng)用于WLAN/WiMAX等場(chǎng)合。

圖10 天線增益隨頻率變化Fig.10 Simulation gain of the proposed antenna

表2 與其他文獻(xiàn)參數(shù)對(duì)比Tab.2 Parameters comparison with other works

4 結(jié)論

利用平面單極子的工作原理,在輻射貼片上設(shè)置一個(gè)Z型枝節(jié)和一個(gè)L型枝節(jié)產(chǎn)生了3.5 GHz和4.9 GHz兩個(gè)諧振頻率,在地板上增加了一個(gè)倒L型枝節(jié)在2.58 GHz處產(chǎn)生諧振,從而實(shí)現(xiàn)了天線在三個(gè)頻段的工作。這些頻段剛好對(duì)應(yīng)我國現(xiàn)行的5G 通信中Sub 6G中的n41/n78/n79三個(gè)工作頻段,并且天線在這三個(gè)頻段的帶寬大,增益較高,方向圖近似全向性,天線的輻射性能較好。該天線具有尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、饋電方便等優(yōu)點(diǎn),在Sub 6G終端設(shè)備中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。