一種基于5G Sub6G的小型化天線設(shè)計

王再躍 汪建安 苑婷婷 楊陽

【摘要】? ? 隨著5G網(wǎng)絡(luò)的逐漸商用，許多電子通信產(chǎn)品需要支持5G通信。本文主要是針對窄邊框筆記本和小型化的臺式機產(chǎn)品設(shè)計了一款小型化的Sub6G全頻段天線，天線的尺寸為45*10*0.4mm。通過CST仿真軟件對天線進(jìn)行仿真后進(jìn)行實物雕刻測試，其性能驗證可以滿足此類電子產(chǎn)品的需求。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G? ?Sub6G? ? 小型化? ?天線

引言：

國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）自2012起就開始了5G的愿景、技術(shù)趨勢以及應(yīng)用需求等研究并在2015年發(fā)布了IMT-2020計劃[1]，因此近幾年運營商、設(shè)備商以及相關(guān)科研人員也都致力于5G網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)制定、網(wǎng)絡(luò)部署、技術(shù)優(yōu)化等相關(guān)工作，這也使得5G技術(shù)迅猛發(fā)展。目前5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開始商用，覆蓋面積也越來越廣，這也要求越來越多的電子通信產(chǎn)品需要支持5G的功能，然而任何一款5G產(chǎn)品的通信都離不開天線的支持，天線是實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)的關(guān)鍵組件之一。根據(jù)3GPP規(guī)定，5G網(wǎng)絡(luò)的頻段可劃分為FR1和FR2，其中FR1是指410MHz-7125MHz，F(xiàn)R2是指24.25GHz-52.6GHz[2]。目前在手機、電腦等常用的電子設(shè)備中的5G模組所支持的頻段一般是6GHz以下（通常稱為Sub6G）和24GHz-40GHz的毫米波頻段，如高通公司的5G X55芯片[3]。此外，現(xiàn)階段手機、電腦等電子設(shè)備中的毫米波天線多以模塊集成的形式為主，具有集成度高、可設(shè)計性低的特點，因此本文重點在于探討靈活性高、可設(shè)計性強的Sub6G天線。

隨著科技的發(fā)展，電子產(chǎn)品要求的功能越來越多，而尺寸在不斷的輕薄化和小型化，且很多產(chǎn)品都是全金屬的環(huán)境，對天線來說其凈空區(qū)域就越來越有限，這就要求天線本身進(jìn)行小型化設(shè)計。因此小型化天線也是天線領(lǐng)域近年來研究的重點和熱點，其中文獻(xiàn)《應(yīng)用于4G通信的LTE筆記本內(nèi)置天線的設(shè)計》[4]，提出的小型化天線設(shè)計尺寸為76*13*0.4mm。文獻(xiàn)《小型化與寬頻化筆記本內(nèi)置天線設(shè)計》[5]中，提出了一款LTE/WWAN天線設(shè)計，尺寸為14*70*0.8mm，而在文獻(xiàn)《小型化內(nèi)置多頻段LTE天線的研究與設(shè)計》[6]中提出了一款更小的多頻段LTE天線設(shè)計方案，尺寸僅為50*15*1mm。本文在眾多優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，針對有更寬頻段要求的SubG設(shè)計了一款尺寸為45*10*0.4mm的小型化天線。

一、小型化天線設(shè)計

面對5G sub6G頻段范圍從617MHz到6GHz的覆蓋要求，本文所設(shè)計的天線就需要在小型化的基礎(chǔ)上進(jìn)行多頻段覆蓋，同時也滿足低頻段從617MHz到960MHz以及高頻段3.3GHz到6GHz的寬帶要求。對于手機和筆記本產(chǎn)品中常用的PIFA天線來說，小型化天線設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)有小型化技術(shù)、多頻段技術(shù)以及寬帶技術(shù)[5-8]。其中，小型化技術(shù)有曲流技術(shù)、加載技術(shù)、采用高介電材料基板等。多頻段和寬帶之間通常是相通的，對應(yīng)的技術(shù)主要有在輻射單元或者地板開槽線、多枝節(jié)技術(shù)、可重構(gòu)技術(shù)以及增加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)等。

基于以上關(guān)鍵技術(shù)，本文提出了一種覆蓋sub6G全頻段的天線，可以支持的頻段范圍有：617-698MHz、704-960MGHz、1710-2690MHz，3300-5000MHz，5150-5925MHz，其尺寸為45mm*10mm*0.4mm。天線的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，天線采用常用的FR-4材料作為基板，厚度為0.4mm，接地板的尺寸為300mm*200mm，天線各枝節(jié)尺寸如表1所示。

此Sub6G天線包括了輻射反饋枝節(jié)、接地枝節(jié)、寄生枝節(jié)以及負(fù)載匹配部分。其中，PIFA天線主體長枝節(jié)部分用于諧振出低頻617MHz-960MHz的電磁波，PIFA的短枝節(jié)部分采用了曲流技術(shù)一方面用于低頻段的阻抗匹配，另一方面在曲流縫隙處又可以耦合形成5.15GHz附近的諧振頻率。L2和W2形成了一個寄生的Loop天線，相對于傳統(tǒng)單頻點的單枝節(jié)寄生天線而言，該天線利用Loop天線的倍頻作用諧振出不同的頻點。該Loop天線本身諧振點在4.4GHz附近，其與上方的PIFA天線長枝節(jié)之間產(chǎn)生耦合作用，耦合諧振在900MHz附近，同時經(jīng)過二倍頻又形成1.7GHz頻段的電磁波。L5和W7形成的枝節(jié)是PIFA天線主體上加載的一個短枝節(jié)，諧振頻點在4.2GHz附近。最后，由于天線整體性能偏感性，而實際需要天線匹配在50歐姆，所以在C1區(qū)域加載了集總元件2.5pF的電容，使得容性和感性綜合達(dá)到匹配的效果。整個天線的設(shè)計是以PIFA天線為主體，通過加載集總元件、曲流技術(shù)、縫隙耦合等設(shè)計，使得天線在較小的尺寸下可以覆蓋較寬的頻段。

二、 仿真結(jié)果分析

天線設(shè)計調(diào)試所使用的仿真軟件是達(dá)索系統(tǒng)的三維電磁場仿真軟件CST。CST工作室套裝[9]是以精度、速度和精確度為核心概念的一款用于設(shè)計、模擬和優(yōu)化電磁系統(tǒng)的完備工具。CST中有多個工作室子軟件，本文中天線仿真主要應(yīng)用的是微波工作室，可以用于所有頻段的電磁仿真。通過CST軟件建立仿真模型，仿真完成后可以獲得該天線的表面電流分布，S11參數(shù)以及天線的效率。其中不同頻點的電流分布如圖2-5所示，S11以及天線效率如圖6，7所示。

天線小型化的實質(zhì)就是在小尺寸的情況下覆蓋較低的頻段，對于PIFA類的天線來說，天線的走線尺寸是與波長成正比與頻率成反比的，因此頻率越低天線需要的尺寸越大，本文在PIFA的枝節(jié)處采用了曲流技術(shù)來拓展低頻的頻段，從圖2的表面電流分布可以看出，PIFA的曲流枝節(jié)在650MHz諧振點起了很大的作用。同樣從圖4也可以看出，寄生Loop天線與主天線枝節(jié)之間是有耦合作用的，通過微帶線的耦合拓展了天線的帶寬。一般來說，耦合間距的大小對天線的諧振頻點以及性能的影響非常大，經(jīng)過多次仿真，將本方案中的耦合間距分別設(shè)置為1mm和1.5mm。因此從表面電流的仿真結(jié)果來看，天線不同頻點的諧振位置與我們的設(shè)計是相吻合的。從圖6中的S11參數(shù)示意圖中可以看到天線在低頻、中頻以及高頻都有多個諧振點，同時天線的效率都在-5.5dB以上。綜合來看，本天線設(shè)計也能滿足筆記本電腦以及小型臺式機等電子產(chǎn)品的性能需求。

三、 實測結(jié)果分析

在仿真結(jié)果滿足天線的設(shè)計指標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步將設(shè)計的天線進(jìn)行雕刻加工，并在天線暗室進(jìn)行無源測試，天線的實物圖如圖8所示。實物天線采用0.4mm厚度的PCB板，饋線使用1.13mm線徑的同軸線，接地板為尺寸300*200mm的銅板。圖9為天線在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上測量得到的S11參數(shù)值，其整體趨勢與仿真結(jié)果一致，但由于測量誤差以及外界設(shè)備環(huán)境影響等因素，會與仿真結(jié)果有偏差。通過實物的測試發(fā)現(xiàn)，天線在高頻段還存在帶寬較窄的情況，而Sub6G要求的中高頻段的帶寬覆蓋非常寬，從圖10的天線效率可以看到在測試多個頻點的效率時會有些頻點的效率在-6dB左右，但是整體的效率都在-5dB以上，這也與我們仿真的結(jié)果相近。針對一些對天線尺寸要求比較高，沒有足夠的凈空區(qū)域的電子產(chǎn)品而言，本文所設(shè)計的天線是可以滿足其要求的。

四、 結(jié)束語

本文提出了一種小型化的Sub6G Hz全頻段的天線設(shè)計，一是采用了寄生天線技術(shù)結(jié)合Loop天線的倍頻作用使得天線可以諧振在不同的頻點，二是利用的縫隙耦合技術(shù)，仿真優(yōu)化得到最佳的耦合間距，對中頻段的帶寬拓展有很大的幫助，三是在恰當(dāng)?shù)奈恢檬褂昧饲骷夹g(shù)，使得天線的尺寸進(jìn)一步小型化。這些技術(shù)的有效結(jié)合使得天線在45*10*0.4mm的尺寸下既可以保證天線的效率還具有良好的穩(wěn)定性。本方案是在小型化產(chǎn)品的基礎(chǔ)上研發(fā)的一款天線，但不局限于小型化產(chǎn)品，任何5G產(chǎn)品中需要滿足Sub6G全頻段以及小尺寸要求的情況下，都可以使用該天線。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] ITU-R.ITU Towards “IMT for 2020 and Beyond”[S].2015

[2] 3GPP TS 38.521-1 NR;User Equipment （UE） conformance specification;Radio transmission and reception;Part 1： Range 1 Standalone（Release 16）[S].2019.

[3] https：//www.qualcomm.com/products/5g.

[4]朱賢濱，孫玉發(fā).應(yīng)用于4G通信的LTE筆記本內(nèi)置天線的設(shè)計 [J]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2014年4月，第4期，第44卷。

[5]張賽，小型化與寬頻化筆記本內(nèi)置天線設(shè)計[D]：[碩士學(xué)位論文]. 安徽大學(xué)，電子與通信工程，2014年4月

[6]謝杰亮，小型化內(nèi)置多頻段LTE天線的研究與設(shè)計[D]：[碩士學(xué)位論文].華東交通大學(xué)，信息與通信工程， 2015年。

[7]劉會美，手機天線的小型化與多頻段設(shè)計[D]：[碩士學(xué)位論文]. 西安電子科技大學(xué)，電子與通信工程，2018年6月

[8]丁偉，基于寬帶小型化的多頻PIFA天線研究[D]：[碩士學(xué)位論文].安徽建筑大學(xué)，節(jié)能工程與樓宇智能化，2018年4月

[9] https：//www.3ds.com/zh/