毫米波天線仿真技術研究

李軍

摘 要：由于5G毫米波頻段的天線尺寸遠小于常規移動通信頻段，對天線的研究很難用現有的實驗條件進行，需要用電磁仿真軟件來進行仿真。因此本文對磁電偶極子進行了仿真設計，得到了一個可應用與毫米波頻段的設計實例，并介紹了描述毫米波頻段空間覆蓋的CDF定義及計算方法，為5G毫米波天線設計參考和空間覆蓋評估奠定基礎。

關鍵詞：天線;仿真;磁電偶極子

中圖分類號：TN822 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）12-0034-03

0 引言

隨著無線移動通訊系統帶寬和能力的增加，網絡傳輸速率也在飛速提升，從2G時代不足10kbps發展到4G時代的1Gbps，人們對于通信速率的追求是無止境的，更高更快更廣的通訊需求促使無線傳輸技術不斷變革。5G時代不同于傳統的移動通訊技術，它不僅是高速率（峰值速率大于20Gbps）、低時延（時延縮減到1ms）、多設備以及低功耗等空口技術的反映，更是面向業務應用和用戶體驗的智能網絡演進和創新。終端天線作為信息傳輸交換的關鍵組件，其設計與研究在5G移動通訊系統中起著中流砥柱的作用。但5GHz以下的黃金頻段已經非常擁擠，而在高頻段（如毫米波段）可用的頻譜資源十分豐富，這能夠有效緩解頻譜資源壓力，實現極高速的短距離通信，滿足5G移動通訊對于數據容量和傳輸速率方面的需求。

5G移動通訊高速傳輸主要依賴于超高的工作頻率（如毫米波），但毫米波傳輸容易受到環境因素的影響，衰減較大，會導致傳播性能變差。所以通過進行多天線毫米波單元設計，進行大規模組陣來實現熱點覆蓋，提高頻譜效率與傳輸可靠性是必要的，并且在有限的空間里實現天線的集成，其結構也需要做以調整。為了實現良好的工作性能，天線單元需要具有較高增益特性，也要滿足一定的波束掃描角度、信道容量和隔離度要求。對于6GHz以下的頻段的天線設計，為實現其小型化，提高數據傳輸速率則采用MIMO機制來實施，這就更需要對天線的布局進行全面分析，對其隔離度進行深入研究。另外由于空間傳輸距離和天線方向圖穩定性的要求，向下兼容2G/3G/4G/的5G智能終端的毫米波天線研究，也面臨著小型化、高增益、多波束、高隔離度、緊湊布局、匹配網絡饋電線路等一系列的技術問題。

所以，如何選取毫米波天線單元、陣列規模、空間布局、如何制定合理的協作方案，以實現輻射和數據傳輸性能的最優化綜合是研究的重點和難點。

本文根據上述提出的問題來進行毫米波天線單元的設計研究和空間覆蓋的介紹。

1 天線單元仿真設計

毫米波由于其高頻特性，受材料、環境因素影響較大。所以在設計毫米波天線單元時要綜合考慮各方面因素。比如介質板選材要滿足低介質損耗、低表面波激發，饋電電路設計要滿足低導體損耗，保證天線高增益性能。而一般常規的天線單元結構形式在毫米波頻段都會出現頻段內增益、輻射方向圖不穩定等問題，且在陣列結構中，由于空間尺寸的限定，使得天線單元之間的互耦較強，影響天線性能的發貨。所以采用何種結構形式來實現毫米波天線單元的設計是非常重要的。本文將對磁電偶極子天線（ME dipole）進行仿真設計。

磁電偶極子天線原理如圖1所示。 兩個水平方向電流強度和方向相同的貼片能夠形成電偶極子。而垂直方向的四分之一波長的短路接地貼片天線則會形成磁偶極子。在毫米波頻段，由于波長很小，通常短路接地天線由金屬過孔代替。圖1（c）則是電偶極子和磁偶極子的組合。通常電磁偶極子天線使用縫隙作為磁偶極子，通過L型探針同時激勵起電偶極子和磁偶極子，或使用電偶極子激勵起磁偶極子，以及使用縫隙作為磁偶極子激勵起電偶極子等方式同時激勵起電偶極子和磁偶極子進行輻射。圖2為電偶極子方向圖合成原理。

本文采用SIW饋電，背腔縫隙耦合的方式激勵上層的ME dipole進行輻射，這種天線具有寬帶，高輻射效率，方向圖對稱，低后瓣，低交叉電平的特性。

天線單元包含一對水平方向的偶極子，每個金屬貼片通過金屬通孔接地。天線由一個一個縫隙進行耦合饋電，且SIW結構的終端短路形成底層的腔體結構。上層的天線由一對水平方向的貼片構成電偶極子，接地的金屬通孔形成磁偶極子，從而兩組偶極子形成了電磁偶極子。天線的整體結構示意圖如圖3所示，磁電偶極子天線結構圖如圖4所示。

經仿真優化，SIW磁電偶極子天線-10dB阻抗帶寬能覆蓋24.1GHz-28.7GHz，最新天線尺寸如表1所示。

圖5給出了該天線的反射系數曲線，其-10db阻抗帶寬可覆蓋24.1GHz-28.7GHz。圖6-8分別為25GHz、26GHz和27GHz的E面和H面方向圖曲線。

經過優化，該SIW磁電偶極子天線-10dB阻抗帶寬覆蓋24.1GHz-28.7GHz，天線方向圖在諧振頻帶內較為穩定：低頻、中頻、高頻點的方向圖基本保持一致，且各個頻點的E面和H面方向圖基本對稱。

本節介紹了一種基于SIW的磁電偶極子天線，在HFSS電磁仿真軟件中加載波端口激勵的仿真環境下，該天線在xoz面、yoz面輻射方向圖幾乎一致。為了加工及測試方便，使用同軸線饋電，所以為該天線設計微帶線轉SIW結構。即將同軸線阻抗與SIW結構的等效阻抗進行良好匹配。最終，該天線的-10dB阻抗帶寬覆蓋24.1GHz-28.8GHz。

2 毫米波空間覆蓋仿真研究

相對于低頻段，毫米波頻段空間傳播損耗更大，因此需要采用高增益天線陣列來彌補空間損耗。而高增益天線陣列具有較窄的波束寬度，很難做到全空間覆蓋，因此需要一個指標來衡量天線的空間覆蓋。3GPP RAN4中用累積分布函數（Cumulative Distribution Function，CDF）曲線來表示空間覆蓋好壞。CDF又叫分布函數，是概率密度函數的積分，能完整描述一個實隨機變量X的概率分部。CDF縱坐標的值等于所有小于等于a（橫坐標）出現概率的和。

3 CDF如何計算

基于圖10所示的球面面積計算示意圖的基本原理，對于增益的CDF，其等于：小于該增益值的球面面積/整個球面面積。每個角度對應的球面面積不一樣，Theta=0°對應的球面面積最小為0，Theta=90°對于的球面面積最大。每個角度對應的球面面積為R2*sin（Theta）*d_Theta*d_Phi，這里R為球半徑，d_Theta為Theta步進，d_Phi為Phi步進，整個球面積為4πR2。將每個角度對應的球面面積累加再除以整個球面面積，即為sin（Theta）*d_Theta*d_Phi再累加后除以4π。

4 結語

本文首先介紹了磁電偶極子的基本原理和對應的天線仿真，得到了工作于毫米波頻段的磁電偶極子設計實例，并介紹了描述空間覆蓋的CDF參數及計算方法，可用于5G毫米波項目的單元設計參考及空間覆蓋評估。

參考文獻

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