Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內通信天線設計的研究

賀東海

（中國聯合網絡通信有限公司石家莊市分公司，石家莊 050000）

在我國鐵路行業以及網絡通訊技術的持續發展下，對于列車車內通信天線也提出了更高的要求。為有效順應時代發展潮流，滿足我國第五代移動通訊系統的發展需要，需要積極進行Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內通信天線設計，從而有效達到提升列車車內信息數據傳輸速率、優化傳輸效果的目的。促進我國鐵路通信事業的進一步發展。

1 Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內通信天線結構與尺寸計算

通過查閱相關資料可知，采用雙圓環形結構的貼片天線作為WiFi/5G 雙頻段列車車內通信天線結構，可以快速、精準地實現天線雙頻段特性，有助于在列車車內充分發揮通信天線的應有效用。因此本文在設計Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內通信天線中，選擇使用兩個全波長環形天線。如果天線中選擇使用相對介電常數為4.4的FR4板材，其厚度以及損耗角正切值分別為1.6mm 與0.02，并假設天線頻段中心頻率分別為2.4GHz、3.4GHz，則本文所使用的兩個全波長環形天線半徑各為12mm 與8.5mm。天線的具體尺寸則為40mm×40mm×1.6mm.

2 Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內通信天線的設計分析

2.1 建立通信天線模型

在建立Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內通信天線模型的過程中，貼片輻射單元位于介質板上層，其主要構成包括兩個矩形貼片以及兩個同心圓圓環，利用這一設計結構可以使得天線阻抗匹配得到相應增加[1]。本文所建立的Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內通信天線模型中，在天線尺寸的計算中選擇使用遺傳算法。根據本文所設計的Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內通信天線的規格屬性，可知天線在x 與y 方向上的長度均為40mm，天線高度則為1.6mm。構成貼片輻射單元的兩個矩形貼片中，矩形長度為11.7mm，而連接兩個同心圓圓環的矩形寬度則為1.6mm。在進一步明確兩個同心圓圓環貼片內徑與各自寬度的基礎上，即可構建出一個由內外兩個同心圓構成的Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內通信天線結構模型。

2.2 通信天線仿真實驗

該Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內通信天線結構中，建立在通信天線基礎上的內圓環和外圓環，均負責為貼片天線輻射元工作。這也表明在本文設計的Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內通信天線中，通信天線的具體性能直接取決于以通信天線為基礎的內圓環與外圓環的內徑。為有效提升通信天線仿真實驗效率，同時保障仿真結果的真實性和有效性，本文在此過程中選擇直接使用專業的HFSS 仿真軟件。在優化階段中，不改變其他參數的情況下，分別掃描分析內圓環和外圓環的內徑參數，可知通信天線高頻段對內圓環半徑的敏感度較大[2]。并且當內圓環半徑值不斷增大的情況下，天線高頻段中的頻點也會逐漸朝著頻率較低的頻段移動。但同樣在內圓環半徑值持續增大下，其對于高頻帶帶寬并未產生任何實質性的影響。根據最終仿真分析結果可知，在內圓環半徑為7.5mm 時，列車車內通信天線可以獲得最為理想的諧振效果。當內圓環半徑值為6.5mm 時，兩個圓環的中心頻率與規定值較為接近。但無論內圓環半徑如何變化，低頻帶帶寬與頻點基本保持不變。另外，在仿真中還表現出內圓環半徑不斷增大下，天線回波損耗也會隨之有所增加，進而影響了天線正常的低頻段性能。這主要是因為在中心頻率為2.4GHz 時，外圓環上耦合饋線所提供的能量，此時內圓環和外圓環之間具有較大間距，在一定程度上增加了外圓環的耦合。而在進行外圓環半徑的仿真分析中，當外圓環半徑值不斷增大下，低頻段中心諧振頻率出現了明顯的移向低頻率情況，帶寬較之前明顯減小，而天線回波損耗也有所減小。此時在低頻段列車車內通信天線具有相對較高的通信性能。天線高頻段頻帶與頻點則幾乎不受外圓環半徑的影響。根據具體仿真分析結果可知，在外圓環半徑為11mm 時，天線在高頻段可以獲得最優性能。因此通過將獲得的全部仿真分析結果進行集中整合，可知在本文設計的WiFi/5G 雙頻段列車車內通信天線中，兩個圓環貼片的內徑分別為7.3mm 與11.7mm，寬度分別為2.2mm和2mm 時，天線可以獲得最佳性能。

3 結束語

綜上所述，本文在設計Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內通信天線的過程中，將兩個同心圓圓環分別作為兩個輻射元工作，運用兩個矩形貼片將兩圓環相互連接使其可以進行能量耦合，可以有效達到雙頻帶特性并獲得較為理想的通

信性能效果。因此證明本文設計的Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內通信天線可與雙頻段天線通信要求相符合，具有一定的應用價值。