新型5G終端全頻段高增益天線

呂 慧，辛政輝，禹 忠

(1.中國鐵塔股份有限公司 陜西省分公司，陜西 西安 710065；2.西安郵電大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710121)

隨著新一代移動通信技術的迅速發展，第五代移動通信技術(5th Generation Mobile Communication Technology，5G)全向天線在衛星通信、移動通信和無線廣播等領域得到了較為廣泛的應用。同時，也對全向天線的性能提出了較高的要求，對體積小、大帶寬、不圓度低和增益高的全向天線需求量越來越大。因此，小型化寬帶平面全向天線的研究與設計具有極大的工程應用價值。

在新一代小型化寬頻帶的全向天線設計過程中，對天線的輻射特性、極化方式和頻帶寬度等性能參數均提出新的要求。增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度[1]，并在水平面上保持全向的輻射性能。傳統的提高天線增益的方法大多來源于定向天線，主要包括串饋、并饋和組陣等設計思路[2]。設計過程中一方面要降低損耗，如接插端子的插損，匹配不好引起的反射，而使用導電性能優良的金屬能降低表面電阻損耗；另一方面可以改變天線的形狀，使用反射板、引向器[3]等部件或者組成陣列，提高方向性和增益。目前，國內外在關于全向天線的研究在超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)天線方面已經取得大量成果[1-2,4-5]。一些結構新穎，性能優越且尺寸較小的高增益全向天線已經被設計出來，但大多數全向天線難以兼顧小尺寸、寬頻帶和全向高增益的要求，即高增益的全向天線難以滿足寬頻帶的需求，且小尺寸的寬頻帶天線增益較低，全向性能較差。此外，不論是天線結構的改進或者從饋電結構的改善，現有的設計思想已經成熟且較為單一，無法滿足多場景多元化的通信系統的應用需求。

針對此問題，擬提出一款小型化5G高增益天線。該天線采用頂部開槽單極子與對稱分支結構地面設計實現緊湊型5G高增益全向天線。通過匹配微帶線以期獲得良好阻抗帶寬，覆蓋LTE/GSM/WiFi頻段。

1 天線設計

天線放置在相對介電常數為4.4、損耗正切角為0.02、厚度為1 mm的FR4介質板上，介質板的尺寸為125 mm×15 mm。該天線采用漸變型的饋電結構設計用于阻抗匹配傳輸，接入頂部不均勻矩形結構有利于改善天線性能，可以用來調節天線的不圓度和增益。同時，對天線效率也有一定的影響。通過接地板的開槽組成多諧振路徑，從接地端向饋電方向引出兩條寄生分支分別用于激勵中頻與低頻帶，印制在介質板背面的C型金屬諧振條用于天線中高頻段的調諧與阻抗匹配。所設計的全頻全向天線結構和具體尺寸參數分別如圖1及表1所示。

圖1 天線結構

表1 天線尺寸參數表

2 仿真結果和分析

利用HFSS15.0軟件進行仿真，對開槽形狀、位置的探索與改進，得到天線單元模型后即可通過仿真測試分析天線性能。該天線在3個頻段上的電流流向圖如圖2所示。

圖2 天線電流流向圖

由圖2可以看出，當天線工作在2.2 GHz時，電流主要集中在漸變式饋電結構上。從饋電點出發，電流在寄生枝節與漸變式結構之間形成多向性電流回路，饋電微帶線上電流流向相反，從而抵消其他波段的諧振，形成部分陷波用于拓展單頻帶寬。當天線工作在3.7 GHz時，電流主要集中在饋電線兩側的寄生枝節上。兩條寄生枝節電流同向且幅值同頻同向，在一定程度上提高了中頻的全向增益。當天線工作在4.7 GHz時，電流在介質基板底部的C型金屬帶上匯聚，且與基板表面的電流密度相對集中。結合頂部不規則匹配線的電流，二者疊加有效激勵了高頻帶寬，拓展了帶寬并提高了全向增益。

圖3給出了全頻全向天線的優化前后的回波損耗S11的對比情況。由圖3可知，該全向天線的原始的-10 dB阻抗帶寬為200 MHz(0.8～1.0 GHz)、110 MH(1.4～1.51 GHz)、0.76 GHz(1.8～2.56 GHz)、0.9 GHz(3.15～4.05 GHz)和0.63 GHz(4.41～5.04 GHz)。該天線經過尺寸優化之后,-10 dB的阻抗帶寬為210 MHz(0.79～1.00 GHz)、100 MHz(1.4～1.5 GHz)、0.65 GHz(1.85～2.50 GHz)和1.84 GHz(3.18～5.02 GHz)，可以覆蓋N7、N38、N41、N48、N77、N78、N79及N90頻段。

圖3 回波損耗

全頻全向天線系統在1.45 GHz、2.2 GHz、3.7 GHz和4.7 GHz時的三維輻射方向圖如圖4所示。

圖4 三維輻射方向圖

由圖4可知：當天線工作在1.45 GHz時，遠場增益為2.2 dBi；在2.2 GHz時，遠場增益為3.4 dBi；當天線工作在3.7 GHz時，遠場增益為4.8 dBi；當天線工作在4.7 GHz時，遠場增益為4.7 dBi。

由圖5中E-H面的方向圖可以看出，天線的水平面方向圖不圓度分別為0.010 1 dBi、0.200 1 dBi、0.424 0 dBi和1.713 9 dBi。因此，該天線系統在E輻射面表現出良好的圓度，全向輻射性較高，且整個工作頻段內的仿真增益高于4.5 dBi。

圖5 E-H面方向圖

3 實測結果

為了進一步驗證天線的性能，根據優化尺寸制作了天線實物，如圖6所示。在天線裝配完畢后，利用矢量網絡分析儀Agilent N5247A對S參數進行測試，測試設備如圖7所示。為了進一步理解天線的輻射特性，在圖8所示的Satimo-SG64 Anechoic Chamber system暗室中對天線的輻射方向圖進行了測量。

圖6 天線實物圖

圖7 Agilent N5247A矢量網絡分析儀

圖8 Satimo-SG64 Anechoic Chamber system

當滿足S11<-10 dB時，測得帶寬分別為850～1 040 MHz、1 200～1 600 MHz、1 715～2 250 MHz、3 220～4 030 MHz及4 400～5 080 MHz,可以覆蓋3GPP TS 38.101～1 V16.2.0協議中N7、N38、N41、N48、N77、N78、N79及N90頻段，完全滿足5G移動通信要求。其中，實測的S11與仿真的S11相比，低頻略向高頻發生偏移，可能是由于未進行印制電路板(Printed Circuit Board，PCB)的制作導致銅皮在尺寸等方面存在誤差。除此之外，考慮饋電過程中存在焊錫點的斷裂和偏移，使得原有的阻抗匹配發生失諧，匹配效果變差。因此，中頻帶寬較仿真帶寬略窄，天線S11實測結果如9圖所示。

圖9 天線S11實測結果

圖10給出了2.2 GHz、3.7 GHz和4.7 GHz等3個頻點在xoy面、yoz面和xoz面的歸一化輻射方向圖。

圖10 天線輻射方向實測圖

由圖10可知，天線實物在Phi=45°的平面上呈現出全向的輻射特性，能夠在新的5G通信設備應用中保持全向的輻射范圍。

圖11為實測的天線增益情況。天線在850～1 000 MHz頻段內的增益約為1 dBi，1 200～1 620 MHz頻段內的增益約為1.5 dBi，1 710～2 250 MHz內的增益約為2.2 dBi，3 220～4 070 MHz頻段內的增益約為2.8 dBi及4 400～5 080 MHz頻段內的增益約為3.5 dBi，可以滿足移動通信系統應用的需求。

圖11 天線實測增益

此外，所設計的天線與文獻[6-9]所涉及的天線相比，具有頻帶覆蓋范圍寬、頻譜資源豐富及尺寸更小、增益更高的優勢。因此，該新型5G全頻段CPE內置高增益天線更滿足小型化、多頻帶和高增益的設計需求，適用于第五代移動通信系統，天線的性能比較情況如表2所示。

表2 天線的性能比較

4 結語

設計了一款全頻段高增益CPE天線。天線尺寸僅有125 mm×15 mm×0.8 mm,實測天線的阻抗帶寬為850～920 MHz、1.2～1.62 GHz、1.8～2.5 GHz、 3.1～4.05 GHz及4.4～5 GHz,覆蓋了LTE700、GSM850/900、PCS1 900、N77和N795等頻段。實測效率都大于60%，低頻增益在1.6～2.7 dBi變化，高頻段在4.6～6.3 dBi變化。該天線具有體積小、頻帶寬及全向輻射特性等特點，在終端設備中具有較高應用價值。