LTE專網(wǎng)1.4G及1.8G高增益天線的仿真與設(shè)計(jì)

陳鳳標(biāo)

（銳捷網(wǎng)絡(luò)股份有限公司 福建省福州市 350500）

1 引言

4G 通訊技術(shù)在社會(huì)生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是政府單位與行業(yè)企業(yè)單位，對(duì)執(zhí)法的遠(yuǎn)程監(jiān)控與遠(yuǎn)程管理的應(yīng)用在逐步加深。同時(shí)，為防范和應(yīng)對(duì)地震，洪澇，火災(zāi)等自然災(zāi)害，以及其他危害社會(huì)公共安全的突發(fā)事件，政企單位對(duì)于4G 通訊的數(shù)據(jù)安全性與可靠性也提出了更高的要求。迫切要求建立歸屬于政府單位與企業(yè)單位的專網(wǎng)通信系統(tǒng)。

國(guó)務(wù)院在《國(guó)家突發(fā)事件應(yīng)急體系建設(shè)“十三五”規(guī)劃》中指出，要“研發(fā)基于4G/5G 的應(yīng)急通信手段，加快城市基于1.4G 頻段的寬帶數(shù)字集群專網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)”。同時(shí)，國(guó)家工信部也明確發(fā)文，按照《工業(yè)和信息化部關(guān)于 1447-1467 兆赫茲(MHz)頻段寬帶數(shù)字集群專網(wǎng)系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》（工信部無(wú)〔2015〕59 號(hào)）和《工業(yè)和信息化部關(guān)于重新發(fā)布 1785-1805MHz 頻段無(wú)線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》（工信部無(wú)〔2015〕65 號(hào)）的規(guī)劃，1447-1467MHz 頻段（1.4G 頻段）用于政府寬帶數(shù)字集群專網(wǎng)系統(tǒng)，并規(guī)劃1785-1805MHz 頻段（1.8G 頻段）用于交通，電力，石油等行業(yè)專用通訊網(wǎng)。

微帶天線在國(guó)內(nèi)的起步較晚，因其體積小、重量輕、低剖面、可共形、易加工等優(yōu)點(diǎn)在雷達(dá)和通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，近幾年發(fā)展迅速，從二十世紀(jì)七十年代開(kāi)始，人們就對(duì)其進(jìn)行了深入地研究。至今已經(jīng)有很多這方面的研究論文和成果。因此，本文設(shè)計(jì)了兩款可同時(shí)工作在1447-1467MHz 和1447-1467MHz 的高增益微帶天線，并給出了對(duì)應(yīng)天線的HFSS 仿真結(jié)果作為參考。

2 兩款微帶天線的設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.1 LTE專網(wǎng)1.4G及1.8G雙頻前向天線

前向天線1.4G/1.8G 頻點(diǎn)參數(shù)要求：

中心頻率：1457MHz/1795MHz。

工作頻率范圍：1447-1467MHz/1785-1805MHz。

E 面半功率波束寬度：>95 度。

H 面半功率波束寬度：>65 度。

天線增益：>7.5dB。

輸入阻抗：50 歐。

2.2 LTE專網(wǎng)1.4G及1.8G雙頻定向天線

定向天線1.4G/1.8G 頻點(diǎn)參數(shù)要求：

中心頻率：1457MHz/1795MHz。

工作頻率范圍：1447-1467MHz/1785-1805MHz。

E 面半功率波束寬度：>95 度。

H 面半功率波束寬度：<45 度。

天線增益：>9.5dB。

輸入阻抗：50 歐。

3 1.4G及1.8G微帶天線單元的設(shè)計(jì)

3.1 貼片單元形式的選擇

為了實(shí)現(xiàn)天線整體的小型化、提高效率，以及匹配電路的方便實(shí)現(xiàn)，貼片單元形式的選擇需要重點(diǎn)考慮，文獻(xiàn)給出了一種新型的矩形單元形式，如圖1所示，單元的尺寸：長(zhǎng)度L，寬度W 由工作的頻率和阻抗匹配要求共同決定，這種微帶插入式饋電單元，通過(guò)在貼片上開(kāi)槽的方法調(diào)節(jié)阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單易行，節(jié)省空間。諧振阻抗隨著開(kāi)槽的深度Ls 和槽寬Ws 的增大而迅速下降，而天線的諧振頻率則隨著槽深度d 的增大和槽寬g 的減小有所下降，實(shí)際可以通過(guò)調(diào)節(jié)L、W、Ls 和Ws 的長(zhǎng)度來(lái)達(dá)到所要的指標(biāo)。

圖1：矩形單元形式

微帶天線設(shè)計(jì)的第一步是選擇介質(zhì)基板，介質(zhì)基板材料的介電常數(shù)ε、損耗角正切tanσ、基片厚度h 將直接影響天線的性能，因此，本文中的介質(zhì)基板采用RT/Duriod5880，其相對(duì)介電常數(shù)ε=2.2，損耗正切角tanσ=0.0009，厚度h=5m 覆銅厚度t=0.035mm。

介質(zhì)基片選定以后，根據(jù)文獻(xiàn)提到的單元尺寸的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式．可以初步的得到貼片單元的寬度W、長(zhǎng)度L：

其中，c 為光速，f為諧振頻率，ε為基板的介電常數(shù)，ε為等效介電常數(shù)，h 為介質(zhì)板厚度，W 為貼片單元的寬度，L 為貼片單元的長(zhǎng)度，λ為介質(zhì)波長(zhǎng)。

3.2 1.4G微帶天線單元的軟件仿真

鑒于1.4G 天線的目標(biāo)工作頻率范圍為：1447MHz-1467MHz，因此取f=1457MHz，由此計(jì)算出對(duì)應(yīng)的W=81.4mm,L=66.6mm,ε=2.07,λ=148.9mm。

根據(jù)以上得到的計(jì)算值，在HFSS 中建立1.4G 微帶天線單元仿真模型。其中W 為矩形貼片寬度，L 為矩形貼片長(zhǎng)度，Ws 為開(kāi)槽縫隙寬度，Ls 為開(kāi)槽縫隙深度，Wf 為饋線寬度，Lf 為饋線長(zhǎng)度，其饋電線嵌入矩形貼片內(nèi)部用于調(diào)節(jié)天線阻抗與饋線特性阻抗的匹配。在這里，取Lf 接近于于λ/4=37.2mm，優(yōu)化取值Lf=36.4mm。而饋電微帶線寬度相比貼片尺寸而言不能太小，否則增加加工難度且傳輸損耗增大；但也不能太大，否則饋線的輻射作用將會(huì)對(duì)貼片的輻射場(chǎng)產(chǎn)生干擾，影響遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的旁瓣電平和交叉極化。綜合考慮后選取饋線寬度為Wf=5mm。

通過(guò)仿真優(yōu)化可知，W、L 對(duì)于諧振頻點(diǎn)影響較大，而調(diào)節(jié)Ls、Ws 可優(yōu)化S11 參數(shù)，在其它參數(shù)不變的情況下，單獨(dú)變化Ls、Ws，當(dāng)Ls=10mm，Ws=10mm 的時(shí)候，S11參數(shù)值最優(yōu)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后，得到的各項(xiàng)參數(shù)值如下：

W=79.5mm,L=65.5mm,Wf=5mm,Lf=36.4mm,Ws=10mm,Ls=10mm。

最后，可得優(yōu)化后的S11 參數(shù)值：在1439-1474MHz 的范圍內(nèi)，S11<-10dB，可覆蓋1447-1467MHz 的工作頻段，諧振頻點(diǎn)處于f=1457MHz，此時(shí)的S11=-47dB。通過(guò)讀取對(duì)應(yīng)的f=1457MHz 的3D 增益圖可見(jiàn)，此單元的輻射方向主要為前向輻射，其最大增益可達(dá)8dB。此時(shí)通過(guò)讀取對(duì)應(yīng)的smith 原圖可知，f=1457MHz 已接近匹配在50 歐。

3.3 1.8G微帶天線單元的軟件仿真

鑒于1.8G 天線的目標(biāo)工作頻率范圍為：1785MHz-1805MHz，因此取f=1795MHz，由此計(jì)算出對(duì)應(yīng)的W=66mm,L=53.4mm,ε=2.053,λ=120.6mm。

根據(jù)以上得到的計(jì)算值，在HFSS 中建立1.8G 微帶天線單元仿真模型。其中W 為矩形貼片寬度，L 為矩形貼片長(zhǎng)度，Ws 為開(kāi)槽縫隙寬度，Ls 為開(kāi)槽縫隙深度，Wf 為饋線寬度，Lf 為饋線長(zhǎng)度，其饋電線嵌入矩形貼片內(nèi)部用于調(diào)節(jié)天線阻抗與饋線特性阻抗的匹配。在這里，取Lf 接近于于λ/4=30.16mm，優(yōu)化取值Lf=30.1mm。而饋電微帶線寬度相比貼片尺寸而言不能太小，否則增加加工難度且傳輸損耗增大；但也不能太大，否則饋線的輻射作用將會(huì)對(duì)貼片的輻射場(chǎng)產(chǎn)生干擾，影響遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的旁瓣電平和交叉極化。綜合考慮后選取饋線寬度為Wf=5mm。

通過(guò)仿真優(yōu)化可知，W、L 對(duì)于諧振頻點(diǎn)影響較大，而調(diào)節(jié)Ls、Ws 可優(yōu)化S11 參數(shù)，在其它參數(shù)不變的情況下，單獨(dú)變化Ls、Ws，當(dāng)Ls=10mm，Ws=10mm 的時(shí)候，S11參數(shù)值最優(yōu)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后，得到的各項(xiàng)參數(shù)值如下：

W=59.69.5mm,L=53mm,Wf=5mm,Lf=30.1mm,Ws=10mm,Ls=10mm

最后，可得優(yōu)化后的S11 參數(shù)值：在1770-1819MHz 的范圍內(nèi)，S11<-10dB，可覆蓋1785-1805MHz 的工作頻段，諧振頻點(diǎn)處于f=1795MHz，此時(shí)的S11=-48.9dB。通過(guò)讀取對(duì)應(yīng)的f=1795MHz 的3D 增益圖可知，此單元的輻射方向主要為前向輻射，其最大增益可達(dá)8.3dB。此時(shí)通過(guò)讀取對(duì)應(yīng)的smith 原圖可知，f=1795MHz 已接近匹配在50 歐。

4 LTE專網(wǎng)1.4G及1.8G雙頻前向天線的設(shè)計(jì)

為了得到設(shè)計(jì)指標(biāo)中的雙頻前向天線，本文中將1.4G振子及1.8G 振子呈180 度對(duì)稱分布，可以得到如下雙頻天線：并且，由于兩個(gè)振子的輸入阻抗均已經(jīng)在中心頻點(diǎn)上匹配在了50 歐，因此在兩個(gè)天線饋線連接的正中心，采用50歐同軸線纜饋電，如圖2所示。

圖2：50 歐同軸線纜饋電

經(jīng)過(guò)優(yōu)化，確定各項(xiàng)參數(shù)如表1。

表1：優(yōu)化參數(shù)

最終的優(yōu)化結(jié)果如下：1.4G 諧振在1458MHz，對(duì)應(yīng)的S11 可達(dá)-45dB，在1440MHz-1477MHz 的頻段內(nèi)S11<-10dB。1.8G 諧振在1797MHz，對(duì)應(yīng)的S11 可達(dá)-47dB，在1774MHz-1821MHz 的頻段內(nèi)S11<-10dB。如圖3。

圖3：優(yōu)化結(jié)果

對(duì)應(yīng)的增益，f=1457MHz 時(shí)可達(dá)7.8dB，其3D 增益圖和方向圖如圖4：半功率波束寬度為E 面110 度、H 面71 度。

圖4：3D 增益圖和方向圖

對(duì)應(yīng)的增益，f=1795MHz 時(shí)可達(dá)7.8dB，其3D 增益圖和方向圖如圖5：半功率波束寬度為E 面110 度、H 面71 度。

圖5：增益圖和方向圖

5 LTE專網(wǎng)1.4G及1.8G雙頻定向天線的設(shè)計(jì)

為了達(dá)到對(duì)應(yīng)的天線的設(shè)計(jì)指標(biāo)，擬將1.4G 及1.8G 頻段均通過(guò)雙振子的布置來(lái)產(chǎn)生一定的定向性。

由微帶線工具計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于同樣阻抗的50 歐和70.7 歐微帶線，在1457MHz 和1795MHz 下的線寬差別不大。因此，取優(yōu)化后的50 歐微帶線寬Wza=14.9mm，70.7 歐微帶線寬Wzb=8.7mm。

由此，在同軸線自原點(diǎn)進(jìn)行饋電的情況下，可以標(biāo)注此天線的各項(xiàng)尺寸如圖6所示。

圖6：天線的各項(xiàng)尺寸

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的各項(xiàng)參數(shù)如表2。

表2：優(yōu)化后的各項(xiàng)參數(shù)

最終的優(yōu)化結(jié)果如圖7所示：1.4G 諧振在1456MHz，對(duì)應(yīng)的S11 可達(dá)-30dB，在1436MHz-1477MHz 的頻段內(nèi)S11<-10dB。1.8G 諧振在1788MHz，對(duì)應(yīng)的S11 可達(dá)-48.5dB，在1730MHz-1829MHz 的頻段內(nèi)S11<-10dB。

圖7：最終的優(yōu)化結(jié)果

對(duì)應(yīng)的增益，f=1457MHz 時(shí)可達(dá)10dB，其3D 增益圖和方向圖如圖8：半功率波束寬度為E 面100 度H 面40 度。

圖8：增益圖和方向圖

對(duì)應(yīng)的增益，f=1795MHz 時(shí)可達(dá)9.85dB，其3D 增益圖和方向圖如圖9：半功率波束寬度為E 面120 度H 面40度。

圖9 :增益圖和方向圖

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了兩款LTE 專網(wǎng)1.4G 及1.8G 天線，前向天線的設(shè)計(jì)在保證E 面110 度H 面71 度半功率波束寬度的情況下，在1.4G 和1.8G 上的增益可達(dá)7.8dB，定向天線在E 面100/120 度H 面可達(dá)40 度半功率波束寬度的情況下，在1.4G和1.8G 上的增益可達(dá)10dB/9.8dB。對(duì)于1447-1467MHz 頻段和1785-1805MHz 的LTE 專網(wǎng)通信頻段的較高增益天線應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。