一種應(yīng)用于5G的多頻段天線設(shè)計(jì)

鄧蕊蕊?趙子倩?李天睿?趙安興

摘要：本文設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一種可以應(yīng)用于5G通信的小型化多頻段微帶天線。該設(shè)計(jì)基于最基本的矩形微帶天線，采用微帶線饋電，通過(guò)輻射貼片開槽技術(shù)，使其具有多頻工作特性。結(jié)合三維電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS建模，進(jìn)一步優(yōu)化縫隙尺寸，確定了天線最優(yōu)結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，該天線可在2.53GHz、3.92GHz和4.75GHz三個(gè)中心頻點(diǎn)處有效工作，實(shí)現(xiàn)天線多頻段工作，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)多頻段覆蓋以及更好的頻率利用率。本文所設(shè)計(jì)的天線可以滿足5G FR2頻段中n41、n77、n79通信系統(tǒng)的要求，且具有良好的全向輻射特性。

關(guān)鍵詞：5G通信；多頻段；開槽技術(shù)

一、引言

為了滿足不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需求，5G移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。相較于4G，5G擁有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、超低的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延以及巨大的數(shù)據(jù)容量。5G通信標(biāo)準(zhǔn)的FR2通信頻段首次采用了毫米波頻段，為5G網(wǎng)絡(luò)提供了極速的數(shù)據(jù)傳輸速度和巨大的容量。傳統(tǒng)天線僅可工作在單頻段，集成度較高的電子通信設(shè)備若想正常工作則需要使用多個(gè)單頻段天線。但是，多天線之間存在的耦合效應(yīng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能造成影響，并且使用多個(gè)天線會(huì)增加系統(tǒng)空間，與設(shè)備小型化的發(fā)展趨勢(shì)背道而馳。而多頻段系統(tǒng)能夠同時(shí)工作在多個(gè)頻段，以實(shí)現(xiàn)提高其系統(tǒng)容量的目的。因此，使用多頻段天線使單個(gè)天線兼容多個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)，解決多天線間互相干擾的問(wèn)題成為熱門的研究方向。

微帶天線因具有體積小、重量輕、易于和移動(dòng)終端設(shè)備共形等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于微波通信系統(tǒng)[1-2]。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)天線的性能提出了更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，其中多頻段工作成為天線設(shè)計(jì)的重要發(fā)展方向之一[3-7]。文獻(xiàn)[5]通過(guò)采用變形的L貼片和寄生短截線，設(shè)計(jì)了可以覆蓋WLAN三個(gè)頻段的三頻天線；文獻(xiàn)[6]使用PIFA結(jié)構(gòu)，通過(guò)加載四分之一波長(zhǎng)、寄生短路貼片等多種方法，成功實(shí)現(xiàn)三頻特性，但由于其各部分之間存在互相干擾，在較高工作頻率下的輻射特性明顯下降；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種基于缺陷地結(jié)構(gòu)的小型三角微帶天線，成功實(shí)現(xiàn)了天線的多頻化，但由于天線結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱以及各參數(shù)之間的相互影響，導(dǎo)致天線帶寬較窄。本文在一種矩形微帶貼片天線的基礎(chǔ)上，通過(guò)貼片開槽，使其具有多頻工作特性，改善了帶寬，并具有良好輻射增益。

二、天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

本文設(shè)計(jì)的天線基于一種矩形微帶貼片天線，采用FR4作為介質(zhì)基板，并使用加載縫隙技術(shù)，能夠滿足多頻段要求。

原始天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)整體為矩形結(jié)構(gòu)，通過(guò)微帶線進(jìn)行饋電。利用HFSS對(duì)該天線最終結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析后，得到天線的回波損耗如圖2所示。仿真結(jié)果顯示，原天線的回波損耗可在3.63GHz處達(dá)到-19.38dB，在4.47GHz附近的回波損耗僅有-10.75dB，可用帶寬極小并且回波損耗極低，天線的輻射增益并不好。因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)頻段的覆蓋及高增益，在天線輻射貼片上通過(guò)在輻射單元上加載“L”形以及矩形縫隙的方法，改變天線中電流及電場(chǎng)的分布，從而實(shí)現(xiàn)天線多頻段工作，改進(jìn)后的天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。

微帶天線的工作性能在很大程度上受到縫隙尺寸和形狀的影響。為了優(yōu)化天線性能，筆者通過(guò)調(diào)整縫隙尺寸的參數(shù)值，進(jìn)一步研究回波損耗曲線隨參數(shù)的變化，從而選擇出最優(yōu)參數(shù)，這里采用控制單一變量法進(jìn)行分析。

矩形縫隙主要由參數(shù)L3和W3控制，采用控制變量法研究L3與W3對(duì)于天線性能的影響，由于修改W3參數(shù)天線回波損耗曲線基本無(wú)明顯變化，這里僅分析L3對(duì)天線回波損耗性能的影響。圖4為天線回波損耗隨L3尺寸變化圖。

仿真結(jié)果顯示，天線中高頻段諧振頻率受矩形縫隙的長(zhǎng)度L3的影響較?。粚?duì)于低頻段來(lái)說(shuō)，隨L3的增大，天線諧振頻率向左偏移，三個(gè)頻段處天線的回波損耗增益相對(duì)均衡，為了滿足覆蓋5G頻點(diǎn)要求，在此次設(shè)計(jì)中選擇L3=10mm。

L形縫隙主要由參數(shù)W1、L1以及W2、L2控制，在仿真測(cè)試中，改變W2、L2以及L1的值對(duì)于天線回波損耗曲線的變化不明顯，因此在這里選擇通過(guò)改變W1的尺寸來(lái)研究L形縫隙對(duì)天線回波損耗性能的影響。圖5為天線回波損耗隨W1尺寸變化圖。

當(dāng)改變L型縫隙寬度時(shí)，對(duì)低頻及高頻諧振頻點(diǎn)無(wú)明顯影響，在中頻諧振頻點(diǎn)處發(fā)生無(wú)規(guī)則偏移，在W1=1.5mm處，在中心頻點(diǎn)3.92GHz處帶寬為380MHz（3.72GHz～4.10GHz），基本可覆蓋5G n77頻段，回波損耗可達(dá)-34.45dB，而在較高頻點(diǎn)處W1的變化對(duì)于回波損耗并無(wú)明顯影響，綜合考量以上因素，在此次設(shè)計(jì)中選擇W1=1.5mm。

通過(guò)反復(fù)仿真分析比對(duì)與測(cè)試，最終確定改進(jìn)后的天線參數(shù)如表1所示。

三、仿真結(jié)果與分析

利用電磁仿真軟件HFSS對(duì)天線進(jìn)行仿真分析，經(jīng)優(yōu)化后天線與原天線的回波損耗對(duì)比曲線如圖6所示，可以看出，優(yōu)化后的天線可以在與原天線相同尺寸的條件下增加了兩個(gè)新的工作頻段，加載縫隙后天線的三個(gè)工作頻段分別為2.49GHz～2.58GHz、3.72GHz～4.10GHz、4.66GHz～4.83GHz，帶寬及回波損耗較之前有極大的改善，該天線適用于5G通信頻段n41、n77和n79，具有三個(gè)工作頻段。

圖7給出了天線三維增益方向圖，整體輻射特性近似圓形，具有較好的全向輻射特性、便利性和靈活性。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種多頻段微帶貼片天線，可以實(shí)現(xiàn)多頻段覆蓋以及更好的頻譜利用率，能夠提高網(wǎng)絡(luò)容量、速率和可靠性，并減少設(shè)備成本。

隨著第五代（5G）移動(dòng)通信技術(shù)一路演進(jìn)和多網(wǎng)絡(luò)并存，智能手機(jī)及擴(kuò)展應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，所需要支持的通信頻段和無(wú)線連接方式也越來(lái)越多。若想實(shí)現(xiàn)“一機(jī)走遍全球”，手機(jī)內(nèi)置天線至少要支持超過(guò)40個(gè)的通信頻段。因此，多頻段天線的研究對(duì)于推動(dòng)現(xiàn)在和未來(lái)通信設(shè)備的發(fā)展具有重要意義。

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